风力涡轮机产生绿色能量和气流之谜 世界动态

约翰斯·霍普金斯大学的研究人员使用烟雾，激光，模型飞机螺旋桨和校园风洞，试图解决围绕风力涡轮机的气流谜团，风力涡轮机是一种日益流行的“绿色”能源。科学基金会最近向该团队颁发了一份为期三年，32.2万美元的资助，以支持该项目。

石油价格的上涨和来自无污染源的能源需求的增长导致了高风力涡轮机建设的全球繁荣，这些风力涡轮机将空气动力转化为电能。近年来，这些设备的技术得到了显着改善，使风能更具吸引力。例如，丹麦能够通过风力涡轮机产生约20%的电能。

但重要的问题仍然存在：大型风力发电场可以改变当地的天气状况吗?改变这些涡轮机的布置能否带来更高效的电力生产?约翰霍普金斯大学和伦斯勒理工学院的研究人员希望他们的工作有助于回答这些问题。

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“直径跨度达100米，这些风力涡轮机是迄今为止最大的旋转机器，”研究小组负责人Charles Meneveau说，他是约翰霍普金斯大学Whiting工程学院的湍流专家。

“对风力发电机叶片空气动力学进行了大量研究，但很少有人研究过这些机器与周围湍流风的相互作用方式。通过研究实验室中小型模型风车周围的气流，我们可以开发出计算机模型，告诉我们更多关于全尺寸风电场大气层发生的情况。“

为了收集这些模型的数据，Meneveau的团队正在校园风洞进行实验。隧道使用大型风扇产生大约40英里/小时的空气流。在进入测试区域之前，空气穿过“活动网格”，一个多孔板幕帘，随机旋转并产生湍流，使隧道中的气流更接近真实的风力条件。然后气流通过安装在柱顶上的一系列小型飞机螺旋桨，模仿一系列全尺寸风力涡轮机。

研究人员利用一种称为立体粒子图像测速仪的高科技程序，收集有关气流与模型涡轮机相互作用的信息。首先，它们以一种烟雾微小颗粒的形式“播种”隧道中的空气，微粒随着主要的气流移动。在模型涡轮机上方，激光器快速连续地产生两个片状脉冲光。相机在每次闪光时捕捉粒子的位置。“当处理图像时，我们发现每个粒子都有两个点，”Meneveau说，他是该大学的Louis M. Sardella机械工程教授。

“因为我们知道两次激光拍摄之间的时差，我们可以计算出速度。因此，我们得到每个点的速度矢量的瞬时快照。拥有这些矢量地图可以让我们计算出从一个地方流到另一个地方的动能有多少，比以前更加详细。

约翰霍普金斯大学博士后研究员Raul B. Cal正在与Meneveau合作开展此项目，他表示，这些数据可以帮助您更好地了解真正的风电场状况。“当你将这些风力涡轮机放得太近或太远时会发生什么?如果你将它们交错排列或平行排列怎么办?“他问道。“所有这些都是我们希望能够理解和量化的不同效果，而不仅仅是去那里建立这些庞大的结构，实施它们而不知道会发生什么。”

Meneveau指出，密集的风力涡轮机群也可能影响附近的温度和湿度水平，并且可能累积地改变当地的天气条件。需要高度精确的计算机模型来解开所涉及的各种影响。“我们的研究将提供提高此类计算机模型准确性所需的流体动力学数据，”Meneveau说。“为了以最可持续和最有效的方式实施风力涡轮机技术，我们将更好地了解其影响。”

Meneveau和Cal正与伦斯勒理工学院机械，航空航天和核工程系副教授Luciano Castillo以及约翰霍普金斯大学机械工程系副研究员Hyung S. Kang合作。