在美國，房屋和其他建築物的屋頂上安裝太陽能電池板已變得越來越常見，但屋頂風力發電系統卻從未普及。過去，人們曾努力縮小產生風力發電的巨型渦輪機的尺寸，使其能夠安裝在住宅上，但由於技術問題過多，這些裝置並不實用。然而，現在，一種新的設計可以透過利用為飛機機翼產生升力的相同原理來規避這些問題。
總體而言，近年來美國可再生能源發電量有所增長，而風力發電是這一趨勢的主要推動力。它佔美國可再生能源發電量的 40% 以上（儘管僅佔所有電力生產的 7%）。與僅限於在白天收集能量的太陽能電池不同，風力渦輪機可以在任何具備合適條件的地方（即，在風速持續充足的開闊平原或緩坡）整夜執行。但除了這些要求外，大型渦輪機還需要開闊的空間，這在城鎮和廣闊的城市附近並不總是可用的。在住宅和城市建築物上安裝屋頂風力發電系統可能有助於利用更多這種資源。
當談到風力發電時，尺寸至關重要。單個渦輪機可以產生的能量與其葉片掃過的面積成正比——因此，小到足以安裝在屋頂上的裝置功率較低。“分散式風力發電未能成功的原因在於，大多數系統基本上都是小型化的風力渦輪機，”桑迪亞國家實驗室的機械工程師布倫特·霍欽斯說。較小的裝置產生的能量不足以實現成本效益。此外，它們快速旋轉的葉片會產生嘈雜的振動，並且其許多移動部件更容易損壞。與被動的屋頂太陽能電池板相比，風力渦輪機可能需要相當高的維護成本。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您將幫助確保未來能夠繼續講述關於塑造我們當今世界的發現和思想的具有影響力的故事。
霍欽斯和他的同事認為，他們已經設計出一種解決方案，透過借鑑航空飛行的基本原理來克服這些障礙。飛機機翼的彎曲形狀（稱為翼型）會改變其兩側的氣壓，並最終產生升力。霍欽斯的同事卡斯滕·韋斯特加德是 Westergaard Solutions 的總裁兼德克薩斯理工大學的機械工程師，他說他將兩個翼型連線在一起，以便“一個翼型的氣流會放大另一個翼型，從而使它們變得更強大。”這對翼型像兩個飛機機翼一樣豎立在側面，直接面對風。當風吹過時，箔片之間會產生低壓，並透過其部分空心體的縫隙吸入空氣。空氣的運動帶動管內的小型渦輪機轉動併產生電力。
得益於這種設計，該裝置（研究人員稱之為 AeroMINE，其中“MINE”代表 Motionless, Integrated Extraction，即靜止式整合提取）可以從比傳統設定中渦輪葉片自身更大的區域（基本上是 AeroMINE 的矩形表面）提取風能。霍欽斯將這種標準渦輪機比作留下浪費麵糰的餅乾切割器。新裝置利用所有可用的風，使其能夠提取更多能量。
AeroMINE 也不會產生與普通渦輪機相同的振動和噪音；韋斯特加德說，它們“比通風扇的聲音還小”。它們設計相對簡單意味著移動部件更少，不易發生故障。渦輪機安裝在建築物內部，如果需要維修，則更容易接近。這種佈置還可以使葉片與人和野生動物隔離，避免接觸。該團隊正在設計該系統，使其可以與屋頂太陽能電池板結合使用，插入現有基礎設施以收集它們產生的能量。
普渡大學的機械工程師盧西亞諾·卡斯蒂略說：“我確實認為這項技術對於風況良好的地區可能是開創性的”，他沒有參與該專案，但過去曾與韋斯特加德合作過。他還認為 AeroMINE 的簡單性可能使其成為發展中國家的一個不錯的選擇，因為新裝置不需要專門的零件或工具，並且相對容易維修。卡斯蒂略和韋斯特加德都看到了在水下使用該設計來利用潮汐能的潛力。
卡內基梅隆大學電力工業中心聯合主任傑伊·阿普特也沒有參與該專案，他也認為設計的簡潔性很有吸引力。但他不確定該系統是否可以擴大規模，在現實環境中以足夠低的成本高效發電。霍欽斯說，在合適的風況條件下，他和他的同事認為 AeroMINE 可以與目前屋頂太陽能發電的成本相競爭。
該團隊已獲得桑迪亞國家實驗室和能源部的資助，已經在風洞中測試了縮小比例的模型，以微調設計。研究人員計劃在六月份在德克薩斯理工大學國家風能研究所的 Scaled Wind Farm Technology (SWiFT) 設施的單層模擬建築物上測試一個四米高的裝置版本。
這篇報道是“現在報道氣候”全球新聞合作專案的一部分，該專案旨在加強對氣候報道的力度。