麻省理工學院領導團隊利用高壓風洞研究風力發電機效率提升方法

研究人員利用高壓風洞研究風力發電機的對齊和葉片速度如何影響發電量，這有助於現有風電場在不安裝額外風力發電機的情況下產生更多電力。該研究在壓力室內使用小型風力發電機，以比傳統風洞實驗更準確地重現大氣流動條件。這種方法還使研究人員能夠驗證一種計算模型，工程師可以利用該模型在標準筆記本電腦上測試發電機設計和風電場控制策略。

高壓風洞的應用

壓縮空氣模擬全尺寸風力發電機。使用傳統風洞測試縮小版風力發電機可能產生與現實條件顯著不同的結果，這使得難以分離風向、發電機對齊和運行參數的變化如何影響電力生成。為瞭解決這個問題，來自麻省理工學院、女王大學、普林斯頓大學和賓州州立大學的研究人員使用了普林斯頓研究人員開發的高壓風洞。團隊在高達 240 大氣壓的壓力下測試了一個直徑僅 15 釐米（6 英寸）的發電機。

通過將空氣密度提高 100 到 220 倍，研究人員重現了與更大風力發電機相當的流動條件。

根據首席作者約翰·庫雷萊克的說法，該設置有效地代表了直徑約 15 到 20 米（49 到 66 英尺）的風力發電機，並能夠模擬直徑達 35 米（115 英尺）的風力發電機。團隊在幾周內進行了多次實驗，變更風的對齊和發電機控制策略，以分離其對性能的影響。

葉片速度對發電量的影響

改變葉片速度可以提升發電量。研究人員發現，根據風力發電機的錯位角度調整發電機的葉片尖端速度，即其葉片尖端相對於進來的風的運動速度，可以增加發電量。風力發電機設計為朝向風的方向旋轉，但風向的變化意味著它們在每一時刻都很少完全對齊。許多預測模型還假設發電機直接面對風，這限制了它們表示實際運行條件的能力。實驗顯示，當風力發電機與風不對齊時，僅僅通過改變其尖端速度就能達到新的發電最高點。

研究人員指出，這種控制策略在當前的風電場中很少使用，但可以以最小的額外成本提高輸出。團隊估計，優化發電機的對齊、葉片俯仰角度和尖端速度每台發電機可產生數萬元的額外年收入。

簡化風電場測試方法

更快速的風電場設計測試方法。實驗還驗證了麻省理工學院教授邁克爾·霍蘭德及其同事開發的統一風力發電機模型。該模型預測在不同運行條件下的發電機性能，而不依賴於傳統風能模型中使用的經驗性修正。由於該模型可以在普通筆記本電腦上運行，工程師可以利用它評估發電機設計和控制策略，而無需進行漫長的現場實驗。研究人員表示，這種方法可以幫助彌補理論模擬與運行風電場測試之間的差距，因為持續變化的天氣和湍流使得受控實驗變得困難。

團隊現在希望利用高壓風洞研究有關風力發電機設計和控制的其他問題，可能幫助風電場從現有基礎設施中提取更多電力。該研究已發表在《PNAS Nexus》期刊上。

高壓風洞技術的潛在影響

高壓風洞技術的應用為風力發電機的效率提升提供了新的思路。透過模擬實際運行條件，研究人員能夠更準確地評估發電機的性能，並發現改變葉片尖端速度能顯著提升發電量。此外，這種新模型的開發使得工程師能夠在不進行繁瑣現場實驗的情況下，快速評估和優化風力發電機的設計與控制策略。這不僅有助於現有風電場提升輸出，還可能促進未來風能技術的進步。