美國風(fēng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛。據(jù)統(tǒng)計，過去9年，美國可再生能源的總量增長了3倍多，其中風(fēng)能和太陽能占比最大。未來，美國計劃利用更多的風(fēng)能，為進(jìn)一步降低成本，他們將建造更大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。據(jù)悉，這個致力于建造世界最大風(fēng)力發(fā)電機(jī)的項目已經(jīng)啟動。該項目由弗吉尼亞大學(xué)研究員帶隊，一共有6個機(jī)構(gòu)聯(lián)合參與，計劃建造的風(fēng)機(jī)高500米，比美國帝國大廈還高57米。
其實，現(xiàn)在的風(fēng)電機(jī)組已經(jīng)比15年或20年前大多了。風(fēng)機(jī)的的電能輸出受葉片長度和風(fēng)塔高度影響，當(dāng)前的風(fēng)塔高度通常在70米，葉片長約50米。
“使用更大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電機(jī)會更具經(jīng)濟(jì)性。”紐約州立大學(xué)布法羅分校機(jī)械與航空航天工程學(xué)院副教授約翰˙霍爾（John Hall）解釋說。大型葉輪的風(fēng)力更大、在較高海拔時更加穩(wěn)定，因此成本效益更佳。為此，該巨型風(fēng)機(jī)項目負(fù)責(zé)人、美國能源部高級研究計劃局的埃里克˙洛斯（Eric Loth）說，用更高的風(fēng)機(jī)能夠“捕集更多能量”。
風(fēng)能專家表示，風(fēng)機(jī)“越大越好”還有另外一個原因：更長的葉片還能更有效地捕捉風(fēng)能，而更高的塔樓則能擁有更長的葉輪。馬薩諸塞大學(xué)羅威爾分校風(fēng)能中心主任、機(jī)械工程師克里斯托弗˙尼茲雷克（Christopher Niezrecki）解釋說：“發(fā)電機(jī)的電量與其‘掃風(fēng)面積’——渦輪葉片旋轉(zhuǎn)所覆蓋的區(qū)域——直接相關(guān)。如果葉片長度加倍，一個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)將能產(chǎn)生4倍的能量。”他還指出，發(fā)電機(jī)越大，其“切入速度”——能夠開始產(chǎn)生能量時的風(fēng)速——也會越低一些。
洛斯團(tuán)隊計劃設(shè)計一個葉片長200米、50兆瓦的風(fēng)電系統(tǒng)，如果能夠成功，該發(fā)電機(jī)的能量將會比現(xiàn)有設(shè)備強10倍。他們不僅擴(kuò)大傳統(tǒng)設(shè)計的規(guī)模，而且嘗試從根本上改變發(fā)電機(jī)的機(jī)構(gòu)。該機(jī)器將擁有兩片葉片，而非通常的三片，這將減輕整個結(jié)構(gòu)的重量并降低成本。洛斯表示，通常，減少葉片的數(shù)量會讓發(fā)電機(jī)降低效率，但他的團(tuán)隊正在利用一個先進(jìn)渦輪氣動設(shè)計，可以在很大程度上彌補相應(yīng)的損失。
根據(jù)團(tuán)隊的設(shè)想，這些風(fēng)機(jī)將安置在遠(yuǎn)離陸地、離海岸線至少80公里的大西洋東部海域。該海域雖然風(fēng)力強勁，但也容易被暴風(fēng)雨襲擊，研究一度陷入困境。不經(jīng)意間，研究人員受到了“棕櫚樹”的啟發(fā)，它們很高但枝干柔軟，如遇大風(fēng)，樹干可自由彎曲。洛斯表示：“我們嘗試使用相同的概念來設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機(jī)，賦予其強大的靈活性，以適應(yīng)不穩(wěn)定的氣流。”
在整個風(fēng)機(jī)設(shè)計中，兩片葉片會隨風(fēng)向變化。洛斯表示，巨大而靈活的葉片將會像棕櫚樹葉一樣隨著暴風(fēng)彎曲起伏，這種設(shè)計減少了很多固定葉片需要的材料成本，也降低了強風(fēng)會將旋轉(zhuǎn)葉片向塔架彎曲的可能性，提高了整個結(jié)構(gòu)的堅韌程度。
事實上，這個巨型發(fā)電機(jī)設(shè)想還面臨諸多挑戰(zhàn)和質(zhì)疑，因為迄今為止并沒有風(fēng)機(jī)接近這個尺寸。“如何制造200米長的葉片？怎么把它們放在一起？起重機(jī)高度有限，如何搭起500米高的塔？……”尼茲雷克率先質(zhì)疑并指出，“我不否認(rèn)這個項目有很高的回報率，但它還有很多問題需要研究和解決。”
霍爾教授則質(zhì)疑這個巨大的發(fā)電機(jī)尺寸是否是最佳，“我們都知道越大越好，但關(guān)鍵是多大最好，這個問題很值得研究”。
目前，洛斯和他的團(tuán)隊正在設(shè)計整個發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。夏天的時候，他們正建造一個直徑約兩米的模型；明年夏天，他們計劃用兩個20米長的葉片來設(shè)計一個更大的模型并在科羅拉多州進(jìn)行測試。
作為該項目的負(fù)責(zé)人，洛斯也不能百分百確定這個龐大的發(fā)電機(jī)將成為現(xiàn)實，但他堅定地認(rèn)為這值得嘗試，“這是一個非常新的概念，我不能保證它會奏效，但如果成功，這或?qū)㈩嵏舱麄€海上風(fēng)能產(chǎn)業(yè)。”洛斯如是說。（中國能源報編譯，原載《科學(xué)美國人》網(wǎng)站）
