研究人員受安第斯禿鷹啟發改造風力渦輪機將發電量提高了10%
安地斯禿鷹的減阻氣動翼激發了人們創造小翼的靈感,這種小翼加到風力渦輪機葉片上後,平均能提高10%的發電量。安地斯兀鷹翼展10 到12 英尺(3 到3.7 公尺),是世界上最大的飛鳥。儘管它的體重高達35 磅(16 公斤),但其翅膀的空氣動力學原理可以減少阻力,使這種鳥可以在不拍打翅膀的情況下進行長距離滑翔,一天之內可以滑翔150 英里(241千米)。
加拿大阿爾伯塔大學(University of Alberta)機械工程系的研究人員研究了在風力渦輪機葉片上安裝受兀鷹啟發的小翼是否也能減少阻力並增加能量生產。
風力渦輪機葉片利用空氣動力學原理提取風能,並將其轉化為電能。但是,如果我們要依靠清潔、永續的能源生產,就必須確保它們盡可能地產生能量。
通常降低風力發電機效率的是升力產生的誘導阻力。當葉片穿過空氣時,其頂部(吸氣側)會形成一個氣壓較低的區域。葉片下方(壓力側)的高壓空氣會與上方的低壓區域尋求平衡,從而形成葉尖渦流,空氣從葉片頂端呈螺旋狀流出。渦流使氣流向下偏轉(下衝),產生誘導阻力。
雖然大多數現代飛機都透過使用小翼來減少葉尖渦流的影響,從而降低誘導阻力,但在風能產業的應用仍處於起步階段。對裝有小翼的風力渦輪機進行的研究表明,小翼可以提高發電量,但其代價往往是延長葉尖,因此很難確定這種改進是直接歸功於小翼,還是增加了葉片的潤濕面積,即與外部氣流接觸的面積。
為了澄清這個問題,阿爾伯塔大學的研究人員求助於加拿大工業設計公司Biome Renewables,該公司透過模仿自然創造清潔能源產品,並根據禿鷹的翅膀設計了小翼。 Biome 為”禿鷹專案”開發了受生物啟發的小翼。它長17.6 英尺(5.35 公尺),設計用於在生產後加裝到風力渦輪機的葉片翼尖上。研究人員利用電腦模擬確定了在樣本風力渦輪機上加裝Biome 翼片對其發電量的影響。
Biome Renewables 的禿鷹靈感小翼RahnamayBahambary et al.CC BY-NC-ND 4.0
他們發現,增加小翼後,沿著葉片跨度方向的吸力面和壓力面之間的壓力差增大,這反過來又增加了渦輪機的扭矩(繞軸的旋轉力)和發電量。發電量平均增加了10%,研究人員認為這歸因於小翼引起的空氣動力變化,而不僅僅是葉片掃掠面積的增加。尾流研究和發電量的結果表明,這種生物啟發設計可以提高風力渦輪機的發電量。
該研究發表在《能源》雜誌。