新型无叶片风力涡轮机设计可安全发电高达460瓦

得益于更简单的设计，无叶片风力涡轮机（BWTs）噪音更低、占用空间更少、且通常维护需求更低。

格拉斯哥大学的研究人员正致力于释放无叶片风能的潜力。

研究人员首次通过计算机模拟确定了未来无叶片风力涡轮机（BWTs）最高效的设计方案。

研究人员表示：“这些发现可能帮助可再生能源行业将BWTs（目前仍处于研发早期阶段）从小型现场实验，推向为国家电网提供电力供应的实用发电形式。”

其优势众多：得益于更简单的设计，BWTs噪音更低、占用空间更少、且通常维护需求更低。

有趣的是，据说BWTs对动物（如鸟类）也更安全。对于飞行生物来说，高速旋转的标准涡轮叶片可能因“运动模糊效应”而呈现一片模糊甚至完全不可见。这常常会增加碰撞风险。

该团队对数千种设计进行的模拟揭示了一个“最佳平衡点”，可以在不牺牲结构强度的前提下最大化发电量。

无叶片风能

长期以来，传统的风力涡轮机一直是我们将风能转化为电能的首选设备。

这些涡轮机直接将风的动能转化为叶片的旋转运动，然后驱动发电机发电。

另一方面，无叶片风力涡轮机（BWTs）则基于一种根本不同的原理运行，称为涡激振动（VIV）。

BWTs通常不是旋转叶片，而是高而细长的圆柱形桅杆，像灯柱一样在微风中摇摆。

风的运动产生涡旋，进而使整个结构发生振荡。当这种摇摆运动完美匹配结构的固有振动频率时，运动会显著放大。这种增强的运动随后被直接转化为电能。

在这项新工作中，工程师们利用计算机模拟来确定如何建造下一代BWTs以实现最高效率。

格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的Wrik Mallik博士说：“这项研究首次表明，反直觉的是，提取能量效率最高的结构实际上并非产生最高功率输出的结构。”

“相反，我们确定了设计变量之间的理想中点，在保持结构强度的同时，最大化BWTs的发电能力，”Mallik补充道。

460瓦功率的理想设计

该研究的发现为桅杆尺寸（如高度和宽度）如何影响无叶片风力涡轮机的发电量和结构完整性提供了新的见解。

研究结果指向一个理想设计：一个高80厘米（31.4英寸）、直径65厘米（25.4英寸）的桅杆。

这种功率与坚固性的最佳平衡可以安全地提供高达460瓦的显著功率 —— 超过了当前最高输出约100瓦的实际原型机。

这些发现对于确保结构在每小时20至70英里风速范围内的安全性尤为重要。

研究人员相信，他们的方法能够实现BWTs的规模化生产，以产生1,000瓦（1千瓦）或更高的功率。

通讯作者Sondipon Adhikari教授表示：“我们希望通过清晰地展示最高效的设计，这项研究能有助于推动行业开发新的BWT设计原型。”

这个概念并非全新。基于此概念，宝马（BMW） 去年与Aeromine Technologies 公司合作测试了无叶片风能，英国首个“无运动部件”系统现已安装在牛津MINI工厂。它能在没有“可见运动部件”的情况下产生清洁电力。

该研究成果发表于《Renewable Energy（可再生能源）》期刊。

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