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模仿鳍的涡轮风力发电机可以提高效率

座头鲸鳍上的凸起可以防止它在转弯时失速。

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图片由 Joseph Subirana/Whalepower Corporation 提供

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风能作为一种永恒的、无碳的能源,虽然优点众多,但也有其弊端。风力涡轮机的初始安装成本很高,而且这些涡轮机的运行是间歇性和零星的。除了风本身固有的变化性之外,还有一个常常被忽视的失速问题。当强风或慢风流过倾斜的叶片时,叶片会失去升力并停止旋转。这种现象类似于把手伸出飞驰的汽车窗外:如果你把手掌向上倾斜,就会产生升力,将手向上拉。如果你倾斜得太厉害,你的手就会向下掉(这是一种失速)。

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一家公司认为,通过模仿座头鲸的鳍,他们找到了解决这些问题的方法。座头鲸会大幅度倾斜其独特的带有锯齿状边缘的胸鳍,以获得更大的水面升力,从而迅速转动巨大的身体来捕捉快速且难以捉摸的猎物。公司 WhalePower 的总裁 Frank Fish 表示,诀窍就在于这些结节,也就是鳍上的凸起。这些凸起通过改变水流过它们的方式,使得鳍可以在不失速的情况下进一步倾斜。Fish 也是宾夕法尼亚州西切斯特大学的生物力学教授,他说,没有结节的座头鲸在转弯时,就像汽车在冰面上转弯一样:“它无法做出急转弯,如果它的鳍失速了,鲸鱼就会失去转弯能力。”

Fish 和杜克大学流体动力学专家 Laurens Howle 于 2004 年发表的风洞测试表明,在模型鳍上添加结节状凸起可以将失速角度推迟高达 40%。此后,其他研究人员也证实,带有凸起的翼型翼剖面失速更缓慢,尽管关于导致这种情况的确切过程仍有争议。

行业已经迫不及待地等待最终结论。到 10 月份,加拿大的工业风扇制造商 Envira-North Systems 公司预计将开始生产第一款受结节启发的 the product——直径可达 24 英尺的吊扇的波浪形叶片。下一步将是在风力涡轮机规模上验证这项技术,其叶片直径可达 400 英尺。

自去年 8 月以来,位于爱德华王子岛的加拿大风能研究所一直在测试一款安装了 WhalePower 叶片的涡轮机——美国能源部国家风能技术中心主任 Robert Thresher 表示,这正是该公司需要证明其技术可行的环节。Thresher 怀疑 WhalePower 的叶片能否显著减轻风电的间歇性——这对于习惯了更平稳电源的电网运营商来说是一个挑战——但他表示,即使是 1% 或 2% 的功率输出增加,也可能具有经济吸引力。

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