巨大而灵活的叶片将会像启发它们的棕榈树叶一样随着暴风弯曲起伏。 图片来源：Wolfgang Kaehler Getty Images

美国风能正在上涨，过去9年，该国可再生能源的总量增长了3倍多，其中风能和太阳能占多数。现在，产业界计划利用更多的风能，而降低其成本的最佳方式之一是建造更大的涡轮机。这正是由弗吉尼亚大学研究人员带领的包括6个机构在内的联合团队正在设计全世界最大的风力涡轮机的原因，该涡轮机高500米，比美国帝国大厦还高约57米。

现在的涡轮机已经比15至20年前大得多了。规模在变化，今天的风电场高度通常在70米，其叶轮长约50米。它们的电能输出取决于规模和高度，其电力一般在1到5兆瓦之间，位于较高电量一端时，它们足以为1100户人家提供电量。“使用更大规模的风电涡轮机的原因与经济有很大关系。”纽约州立大学布法罗分校机械与航空航天工程学院助理教授John Hall解释说，其原因之一是大型叶轮的风力更大、在较高海拔时更加稳定，因此成本效益更佳。为此，该巨型涡轮机项目负责人、能源部高级研究计划局的Eric Loth说，用更高的涡轮机能够“捕集更多能量”。

风能专家表示“大了更好”还有另外一个原因：更长的涡轮叶片还能更有效地捕捉风能，而更高的塔楼则能拥有更长的叶轮。涡轮机的电量与其“扫略面积”——涡轮叶片旋转所覆盖的区域——直接相关，马萨诸塞大学罗威尔分校风能中心主任、机械工程师Christopher Niezrecki解释说。这一关系并非线性的，如果叶片长度加倍，Niezrecki解释说，一个风力发电系统将能产生4倍的能量。他指出，更大涡轮机的“切入”速度——它们能够开始产生能量时的风速——也较低一些。

Loth团队计划设计一个叶片长200米的50兆瓦的风电系统，它比目前的风电涡轮机大得多。如果能够成功，他们认为该涡轮机的能量强会比现有设备强10倍。科学家并不打算仅扩大传统设计的规模，他们在从根本上改变涡轮机的机构。这个超大的机器将拥有两个叶片，而非通常的三个，从而减轻结构的重量并降低成本。Loth说，减少叶片的数量通常会让一个涡轮机降低效率，但他所在团队正在利用一个先进涡轮气动设计，他表示该设计可以在很大程度上弥补相应的损失。（冯维维）

更多阅读

科学美国人相关报道（英文）