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利用一个关键的飞行原理,屋顶风力可以起飞

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该图示示出了Sandia国家实验室开发的航空MINE对与进来的风,前景,诱导通过空气射流吸入驱动的流动,以红色显示,并在后台产生电力的涡轮发电机的操作。

桑迪亚国家实验室

覆盖现在的气候标志

这个故事最初出现在科学美国人作为“现在报道气候”的一部分在此再版。“现在报道气候”是一个全球新闻合作组织,旨在加强对气候事件的报道。

在美国,安装在房屋和其他建筑物屋顶上的太阳能电池板越来越常见,但屋顶风能系统从未流行起来。过去,人们曾试图将风力涡轮机的规模缩小到可以安装在家里的程度,但由于存在太多的技术问题,这些设备无法实现。然而,现在一种新的设计可以通过利用飞机机翼产生升力的相同原理来绕过这些问题。

总的来说,近年来美国可再生能源发电量有所增长,而风力发电是这一趋势的主要推动力量。它占美国可再生能源发电量的40%以上(尽管只占总发电量的7%)。

太阳能电池只能在白天收集能量,与之不同的是,风力涡轮机可以在任何条件合适的地方整夜运行——也就是说,在开阔的平原或平缓的山丘上,风速始终足够。但除了这些要求,大型涡轮机还需要开阔的空间,而在城镇和蔓延的城市附近并不总是这样。在住宅和城市建筑上安装屋顶风力系统可以帮助更多地利用这一资源。

当谈到风能时,规模很重要。单个涡轮机所能产生的能量与它的叶片扫过的面积成比例,所以小到能装在屋顶上的设备功率会小一些。

桑迪亚国家实验室的机械工程师Brent Houchens说:“大多数系统基本上都是小型风力涡轮机,这是分散风无法成功的原因。”

更小的设备不能产生足够的能量以达到成本效益。此外,它们快速旋转的叶片会产生嘈杂的振动,许多运动部件更容易断裂。与被动式屋顶太阳能电池板相比,风力涡轮机的维护成本可能相当高。

Houchens和他的同事认为他们已经设计了一个解决方案,通过借鉴空中飞行的基本原理来克服这些障碍。飞机机翼的弯曲形状——称为翼型——改变其两侧的气压,最终产生升力。

Houchens’同事卡斯滕Westergaard,Westergaard解决方案,并在德州理工大学的机械工程师的总裁说,他套上两个机翼在一起,因此,‘从一个机翼的流动将增强其他翼型,他们变得更加强大。’面向就像两个机翼就在自己身边直立,一对机翼的直接面对风。由于风移动通过,低压箔之间建立起来,通过他们的部分空心体缝隙吸入空气。空气的运动带动一个小型涡轮容纳在管中并产生电。

该装置,其中研究人员称之为一个AeroMINE,可以从更大的区域拉风的能量比它的涡轮叶片可以在他们自己的。
由于这种设计,研究人员将这种设备称为AeroMINE(“MINE”代表不动、综合提取),它可以从更大的区域(本质上是AeroMINE的矩形表面)吸收风能,这比它的涡轮机叶片本身在传统设置中所能做到的要多。Houchens将这种标准涡轮机比作留下浪费的面团的饼干切割器。新设备利用了所有可用的风能,从而可以提取更多的能量。

航空飞机也不会产生与普通涡轮机相同的振动和噪音;韦斯特加德说,它们“比通风机的噪音小”。相对简单的设计意味着较少的活动部件出现故障。涡轮机安装在建筑物内,如果需要维修的话,使用起来会更容易。这种安排也使叶片与人类或野生动物隔离。该团队正在设计这个系统,以便它能与屋顶太阳能电池板结合使用,接入现有的基础设施,收集它们产生的能源。

“我认为这项技术可以开创性”为具有良好的风力条件的区域卢西亚诺卡斯蒂略,美国普渡大学的机械工程师,谁不参与该项目,但已与Westergaard在过去的工作说。

他还认为AeroMINEs的简单性可以让他们一个很好的选择为发展中国家,因为新设备并不需要专门的零件或工具都比较容易解决。卡斯蒂略和Westergaard都可以看到使用的设计水下利用潮汐能以及潜力。

卡内基梅隆电力工业中心的副主任Jay Apt也没有参与该项目,他认为设计的简单是有吸引力的。但他不确定该系统能否在现实环境中以足够低的成本有效地生产能源。Houchens说,在合适的风环境下,他和他的同事认为航空飞机可以与目前屋顶太阳能发电的成本竞争。

该小组已收到的资金来自桑迪亚和能源部,在风洞中测试了按比例缩小的模型进行微调的设计。六月里,研究人员计划测试上的规模化风电场技术(SWIFT)的设施,得克萨斯理工的民族风学院的一部分,单层建筑模拟设备的13.1英尺高的版本。

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