美國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)已經(jīng)迎來(lái)迅猛發(fā)展的時(shí)代。
在過(guò)去的9年中，美國(guó)可再生能源的總量增長(zhǎng)了3倍之多，而其中風(fēng)能和太陽(yáng)能當(dāng)居首功。嘗到了“甜頭”的美國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)正計(jì)劃部署和利用更多的風(fēng)能，而降低成本的最佳方式之一，便是打造更大的渦輪機(jī)。
于是，人們看到了一個(gè)有趣的趨勢(shì)：伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在許多設(shè)備都變得越來(lái)越迷你的當(dāng)下，風(fēng)力渦輪機(jī)卻越來(lái)越高，直沖云霄。其中，由美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研究人員帶領(lǐng)的包括6個(gè)機(jī)構(gòu)在內(nèi)的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，就在想方設(shè)法地打造一個(gè)規(guī)模大得嚇人的風(fēng)力渦輪機(jī)：一片風(fēng)葉長(zhǎng)達(dá)200米，渦輪機(jī)總體高度達(dá)到500米，甚至比美國(guó)帝國(guó)大廈還高57米。
“大了更好”
與15~20年前相比，如今的風(fēng)力渦輪機(jī)總體規(guī)模已經(jīng)大了不少。
目前，風(fēng)力渦輪機(jī)的高度通常在70米左右，葉輪長(zhǎng)50米左右。風(fēng)力渦輪機(jī)的電能輸出取決于其規(guī)模和高度，通常來(lái)說(shuō)其電力在1~5兆瓦之間，位于較高電量一端時(shí)，它們足以提供1100戶(hù)人家所需的電量。
“使用更大規(guī)模的風(fēng)力渦輪機(jī)的原因與經(jīng)濟(jì)有很大關(guān)系。”美國(guó)紐約州立大學(xué)布法羅分校機(jī)械與航空航天工程學(xué)院助理教授John Hall解釋說(shuō)。大型風(fēng)力渦輪機(jī)的葉輪更大，在較高海拔時(shí)會(huì)更加穩(wěn)定，因此成本效益更高。正如該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、美國(guó)能源部高級(jí)研究計(jì)劃局的Eric Loth所說(shuō)的，更高的渦輪機(jī)能夠“捕集更多的能量”。
“大了更好”的另外一個(gè)原因，在于更高的塔樓能擁有更長(zhǎng)的葉輪，更長(zhǎng)的渦輪葉片能更有效地捕捉風(fēng)能，因?yàn)闇u輪機(jī)的發(fā)電量與其“掃略面積”——渦輪葉片旋轉(zhuǎn)所覆蓋的區(qū)域——直接相關(guān)。美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)羅威爾分校風(fēng)能中心主任、機(jī)械工程師Christopher Niezrecki解釋說(shuō)，這一關(guān)系并非線(xiàn)性的，如果葉片長(zhǎng)度加倍，一個(gè)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將能產(chǎn)生4倍的能量。
Loth團(tuán)隊(duì)計(jì)劃設(shè)計(jì)一個(gè)葉片長(zhǎng)200米的50兆瓦的風(fēng)電系統(tǒng)，它比目前的風(fēng)力渦輪機(jī)大得多。如果能夠成功，他們認(rèn)為該渦輪機(jī)的能量會(huì)比現(xiàn)有設(shè)備強(qiáng)10倍。
研究人員并不是簡(jiǎn)單地?cái)U(kuò)大傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)的規(guī)模，而是從根本上改變了渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)。這個(gè)全球最大的機(jī)器只有2個(gè)葉片，而非傳統(tǒng)渦輪機(jī)的3個(gè)，這一改變能夠幫助其減輕結(jié)構(gòu)重量并降低成本。Loth表示，減少葉片的數(shù)量通常會(huì)讓一個(gè)渦輪機(jī)效率降低，但他所在團(tuán)隊(duì)正在利用一個(gè)先進(jìn)的渦輪氣動(dòng)設(shè)計(jì)來(lái)彌補(bǔ)相應(yīng)的損失。
自然賦予靈感
根據(jù)Loth的介紹，研究團(tuán)隊(duì)還設(shè)想將這個(gè)龐然大物矗立于距離海岸線(xiàn)至少80公里外的海面上。一方面是因?yàn)槟抢锏娘L(fēng)更大，另一方面也可以使陸地上的人們免受噪音的干擾。
但是，團(tuán)隊(duì)屬意的這些地區(qū)，比如靠近大西洋的美國(guó)東海岸地區(qū)等等，卻也恰好是強(qiáng)有力的暴風(fēng)雨經(jīng)常“光臨”的區(qū)域。于是，Loth的研究團(tuán)隊(duì)陷入了一個(gè)兩難的境地：既要建造一個(gè)不折不扣的龐然大物，卻又需要它相對(duì)較輕，以至于能在颶風(fēng)襲擊時(shí)依然保有靈活性。
為了解決這個(gè)棘手的問(wèn)題，Loth的團(tuán)隊(duì)將目光轉(zhuǎn)向自然界，尋找設(shè)計(jì)解決方案。而實(shí)際上，自然確實(shí)賜予了他們靈感。“棕櫚樹(shù)非常高大，但其結(jié)構(gòu)卻很輕。一旦遭遇強(qiáng)風(fēng)，樹(shù)干就可以彎曲。我們?cè)噲D用同樣的概念來(lái)設(shè)計(jì)我們的風(fēng)力渦輪機(jī)，使其具有一定的靈活性，能夠彎曲以適應(yīng)氣流。”
與傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)將葉片安裝在上風(fēng)處不同，在Loth團(tuán)隊(duì)的最新設(shè)計(jì)中，兩個(gè)葉片被安裝于渦輪機(jī)的下風(fēng)處。并且與棕櫚樹(shù)相似，渦輪機(jī)的葉片也會(huì)隨著風(fēng)向而改變形狀。
對(duì)于這樣的設(shè)計(jì)，Loth給出了解釋。當(dāng)葉片以順風(fēng)的角度向后彎曲時(shí)，葉片會(huì)適應(yīng)高風(fēng)速，并開(kāi)始折疊，所以它們的動(dòng)力就會(huì)減弱，因此不需要使用更重或更強(qiáng)的材料來(lái)建造，從而節(jié)省成本。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)還減少了強(qiáng)風(fēng)將旋轉(zhuǎn)的葉片彎曲而砸到塔上的可能性，避免了整個(gè)結(jié)構(gòu)被破壞。
“我們希望我們的渦輪機(jī)能夠在非作業(yè)的條件下承受住大于253公里/時(shí)的風(fēng)速。”而事實(shí)上，一旦風(fēng)速超過(guò)80~95公里/時(shí)，渦輪機(jī)的系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，葉片也會(huì)彎曲折疊，從而使裝置能夠抵御住狂風(fēng)。
道阻且長(zhǎng)
500米高的風(fēng)力渦輪機(jī)仍面臨諸多挑戰(zhàn)，畢竟這樣巨大的尺寸前所未有。
“如何制造200米長(zhǎng)的葉片？如何將它們安裝在一起？如何將這么高的塔豎立起來(lái)？此外，離岸風(fēng)電又帶來(lái)了額外的難題。”Niezrecki表示。
研究團(tuán)隊(duì)試圖設(shè)計(jì)出一個(gè)分段的葉片，這樣就能夠在現(xiàn)場(chǎng)組裝。但Niezrecki也坦言，目前風(fēng)電行業(yè)還沒(méi)有找到具體的葉片分段方法。“有許多研究問(wèn)題需要解決。”他表示，“這肯定是高風(fēng)險(xiǎn)的，但也有高回報(bào)的可能。我不認(rèn)為這些問(wèn)題是無(wú)法克服的。”
Hall則還在思考另外一個(gè)問(wèn)題，即500米高是否是巨型渦輪機(jī)的最佳尺寸。“我們知道變大是好的，但問(wèn)題在于到底應(yīng)該多大？我們需要找到這個(gè)最佳點(diǎn)。我們將會(huì)從這個(gè)項(xiàng)目中收獲良多。”
目前，Loth和他的團(tuán)隊(duì)尚未開(kāi)始原型測(cè)試，他們正在忙著設(shè)計(jì)風(fēng)力渦輪機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，并計(jì)劃在今年夏天打造出一個(gè)直徑約2米的小模型。而明年這個(gè)時(shí)候，他們預(yù)備建造一個(gè)葉片長(zhǎng)度約20米的稍大版本的模型，并在美國(guó)科羅拉多進(jìn)行測(cè)試。
雖然連Loth自己也不能100%地肯定他的團(tuán)隊(duì)一定能將這個(gè)龐大的渦輪機(jī)變成現(xiàn)實(shí)，但他認(rèn)為值得一試。“這是一個(gè)新的概念，所以不能保證它絕對(duì)可行。但一旦成為現(xiàn)實(shí)，它將帶來(lái)一場(chǎng)海上風(fēng)電的變革。”■