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机械工程师开发出提高风电场生产率的方法

  你可能已经看过它们了,也许是在长途旅行中:风力涡轮机带有巨大的,催眠的滚动叶片,利用清洁的风力转换成电能。您可能不知道的是,由于我们拥有更清洁的能源,因此在使用的风力涡轮机数量激增时,这些风力发电场很可能没有那么高效。

  “我们一直在设计涡轮机供自己使用,但我们几乎不再单独使用它们,”加州大学圣塔芭芭拉分校机械工程教授Paolo Luzzatto-Fegiz说道,他的专长是流体力学。他说,从历史上看,风力涡轮机是单独使用或小批量使用的,但随着世界向更环保的能源技术发展,它们现在以数百或数千组的形式出现。

  Luzzatto-Fegiz解释说,这些大型装置的问题在于,每台机器设计用于从迎面而来的风中提取尽可能多的能量,可能与其他机器“玩得不好”。取决于涡轮机相对于彼此以及盛行风的位置,可以留下那些不直接位于风的路径中以从显着耗尽的气流中提取能量。

  “这些涡轮机现在非常善于从风中提取能量,但它们也形成了这些非常大的风影,”Luzzatto-Fegiz说道,他是“完全开发的风电场的夹带模型的主要作者:大气稳定性的影响和风电场性能的理想极限,“发表于美国物理学会期刊物理评论流体。类似于结构如何衰减从一侧到另一侧的光流,当风力从涡轮机的前部流到其后部时,风力也减小。结果是并非风电场中的所有涡轮机都能发挥其潜力。

  “所以,你可以看到,这不是在你的土地上装上更多涡轮机的问题,因为在某些时候你会达到这些递减的回报,”他说。“有一点,如果你继续增加涡轮机,你获得的动力就会减少。”

  然而,根据英国剑桥大学教授Luzzatto-Fegiz和合着者Colm-cille P. Caulfield的说法,有很多方法可以解决风回收减少的问题。并且,他们说,这些改进可能会导致风电场能源生产的数量级改善。

  研究人员表示,主要目标是让所有涡轮机都能进入高速气流,从而可以提取更多的能量。由于农场上方的风比涡轮机之间的风快得多,因此将涡轮机尾流中的气流与上方的空气混合可能是获得风力涡轮机降压的关键。

  Luzzatto-Fegiz说:“如果你能以某种方式发明一种小工具,每种涡轮机都能使这些尾流混合得非常快,那么你可能会有这些巨大的改进。”

  另一个可能的解决方案是风力涡轮机的相对较新版本,其中叶片在垂直轴上旋转 - 像打蛋器叶片 - 而不是传统的水平轴。

  “这些通常不能自己表现得很好,但重要的是它们本质上可以在它们的尾迹中引起更强烈的混合,”他说,“并且人们已经证明,如果你把它们放在一个他们以相反方向旋转的安排中相互之间它们可以引起非常好的混合。“

  研究人员开发的模型可以带来性能更好的风电场,在某些情况下可能不需要像以前认为的那样多的风力发电机,从而降低了潜在的成本。这些模型还可以产生涉及农场特定地形和当地天气模式的定制解决方案。

  “我们真的很兴奋,我们可以非常准确地模拟所有这些,”Luzzatto-Fegiz说。

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