風能在美國蓬勃發展；過去九年中，美國的 可再生能源 產能 增加了一倍以上，其中風能和太陽能是主要貢獻者。現在，企業希望以更低的價格利用更多的風能——降低成本的最佳方法之一是建造更大的渦輪機。因此，由弗吉尼亞大學的研究人員領導的六個機構聯盟正在設計世界上最高的風力渦輪機，高度為 500 米——幾乎是三分之一英里高，比帝國大廈高約 57 米。
與 15 或 20 年前相比，渦輪機已經明顯變大。尺寸各異，但如今典型的風力發電場塔架高約 70 米，葉片長約 50 米。它們的功率輸出取決於尺寸和高度，但通常在 1 到 5 兆瓦之間——高階功率足以供應約 1100 個家庭用電。“有一種發展更大風力渦輪機的動力，原因很大程度上是經濟因素，”紐約州立大學布法羅分校機械與航空航天工程助理教授 John Hall 解釋說。巨型渦輪機更具成本效益的一個原因是，風在更高的高度吹得更強勁、更穩定。因此，“使用更高的結構可以捕獲更多能量”，超大型渦輪機專案負責人 Eric Loth 說。該專案由美國能源部高階研究計劃署（ARPA–E）資助，超大型渦輪機專案。
風能專家認為越大越好的另一個原因是：更長的渦輪葉片也能更有效地捕捉風力，而更高的塔架可以使用更長的葉片。馬薩諸塞大學洛厄爾分校機械工程教授兼風能中心主任 Christopher Niezrecki 解釋說，渦輪機的功率與其“掃掠面積”（葉片旋轉覆蓋的圓形區域）直接相關。而且這種關係不是線性的——Niezrecki 解釋說，如果葉片長度增加一倍，系統可以產生四倍的能量。他指出，更大的渦輪機還具有更低的“切入”速度，即它們可以開始發電的風速。
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Loth 的團隊希望設計一個 50 兆瓦的系統，葉片長 200 米，比今天的風力渦輪機大得多。研究人員認為，如果成功，該渦輪機的功率將是現有裝置的 10 倍。但科學家們並不打算簡單地放大傳統設計；他們正在從根本上改變渦輪機的結構。超大型機器將有兩個葉片而不是通常的三個，從而減輕結構重量並降低成本。Loth 說，減少葉片數量通常會降低渦輪機的效率，但他的團隊正在使用先進的空氣動力學設計，他說這種設計在很大程度上彌補了這些損失。
SUMR專案概念圖。圖片來源：Chao Qin
Loth 表示，該團隊還設想這些巨型結構至少矗立在離岸 80 公里的地方，那裡的風往往更強，陸地上的人們看不到也聽不到它們。但是，強烈的風暴會襲擊這些地方——例如，美國東海岸附近的 大西洋 ——因此，Loth 的團隊面臨著創造既巨大又相對輕巧，並且在颶風面前仍然具有彈性的東西的難題。為了解決這個問題，研究人員借鑑了自然界自身的設計解決方案之一：棕櫚樹。“棕櫚樹非常高，但結構非常輕巧，如果風很大，樹幹可以彎曲，”Loth 說。“我們正試圖使用相同的概念——設計我們的風力渦輪機具有一定的柔韌性，可以彎曲並適應氣流。”
在該團隊的設計中，兩個葉片位於渦輪機塔架的下風側，而不是像傳統渦輪機那樣位於上風側。葉片也會隨著風向改變形狀，類似於棕櫚樹。“當葉片以下風角度向後彎曲時，你不需要將它們建造得那麼重或那麼堅固，因此你可以使用更少的材料，”Loth 解釋說。這種設計還減少了強風將旋轉的葉片彎向其塔架的可能性，從而可能擊倒整個結構 [影片]。 “葉片將適應高速並開始摺疊起來，因此它們受到的動態力較小，”Loth 說。“我們希望我們的渦輪機能夠在非執行條件下承受高於每小時 253 公里的風速。” Loth 補充說，當風速高於每小時 80 到 95 公里時，系統將關閉，葉片將彎曲背風，因此它們可以承受猛烈的陣風。
500 米的渦輪機仍然面臨挑戰——沒有人建造接近這種尺寸的渦輪機是有充分理由的：“你如何製造 200 米長的葉片？你如何將它們組裝在一起？你如何豎立如此高的塔架？起重機的高度是有限的。而且對於海上風電，[還有] 額外的複雜性，”Niezrecki 說。該團隊的設計包括分段式葉片，可以在現場從各個部件組裝而成，但 Niezrecki 指出，風電行業尚未完全弄清楚如何對葉片進行分段。“有很多研究問題需要解決，”他說。“這絕對是高風險的，但也存在高回報的潛力。我不認為這些問題是無法克服的。” Hall 還質疑如此巨大的渦輪機是否是最佳尺寸。“我們正在弄清楚越大越好。問題是，大多少？我們需要找到最佳點，”他說。“我們將從這個專案中學習到很多東西。”
Loth 和他的團隊尚未測試原型；他們目前正在設計渦輪機的結構和控制系統，今年夏天他們正在建造一個比實物小得多的模型——直徑約兩米。明年夏天，他們計劃建造一個更大的版本，帶有兩個 20 米長的葉片，這將產生不到 1 兆瓦的電力，並將在 科羅拉多州 進行測試。Loth 本人並不 100% 確定他團隊的巨型渦輪機將成為現實，但他確信值得嘗試。“這是一個非常新的概念，所以[絕對]不能保證它會奏效，”他說。“但如果它成功了，它將徹底改變海上風能。”