风能在美国蓬勃发展；过去九年中，美国的 可再生能源 产能 增加了一倍以上，其中风能和太阳能是主要贡献者。现在，企业希望以更低的价格利用更多的风能——降低成本的最佳方法之一是建造更大的涡轮机。因此，由弗吉尼亚大学的研究人员领导的六个机构联盟正在设计世界上最高的风力涡轮机，高度为 500 米——几乎是三分之一英里高，比帝国大厦高约 57 米。
与 15 或 20 年前相比，涡轮机已经明显变大。尺寸各异，但如今典型的风力发电场塔架高约 70 米，叶片长约 50 米。它们的功率输出取决于尺寸和高度，但通常在 1 到 5 兆瓦之间——高端功率足以供应约 1100 个家庭用电。“有一种发展更大风力涡轮机的动力，原因很大程度上是经济因素，”纽约州立大学布法罗分校机械与航空航天工程助理教授 John Hall 解释说。巨型涡轮机更具成本效益的一个原因是，风在更高的高度吹得更强劲、更稳定。因此，“使用更高的结构可以捕获更多能量”，超大型涡轮机项目负责人 Eric Loth 说。该项目由美国能源部高级研究计划署（ARPA–E）资助，超大型涡轮机项目。
风能专家认为越大越好的另一个原因是：更长的涡轮叶片也能更有效地捕捉风力，而更高的塔架可以使用更长的叶片。马萨诸塞大学洛厄尔分校机械工程教授兼风能中心主任 Christopher Niezrecki 解释说，涡轮机的功率与其“扫掠面积”（叶片旋转覆盖的圆形区域）直接相关。而且这种关系不是线性的——Niezrecki 解释说，如果叶片长度增加一倍，系统可以产生四倍的能量。他指出，更大的涡轮机还具有更低的“切入”速度，即它们可以开始发电的风速。
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Loth 的团队希望设计一个 50 兆瓦的系统，叶片长 200 米，比今天的风力涡轮机大得多。研究人员认为，如果成功，该涡轮机的功率将是现有设备的 10 倍。但科学家们并不打算简单地放大传统设计；他们正在从根本上改变涡轮机的结构。超大型机器将有两个叶片而不是通常的三个，从而减轻结构重量并降低成本。Loth 说，减少叶片数量通常会降低涡轮机的效率，但他的团队正在使用先进的空气动力学设计，他说这种设计在很大程度上弥补了这些损失。
SUMR项目概念图。图片来源：Chao Qin
Loth 表示，该团队还设想这些巨型结构至少矗立在离岸 80 公里的地方，那里的风往往更强，陆地上的人们看不到也听不到它们。但是，强烈的风暴会袭击这些地方——例如，美国东海岸附近的 大西洋 ——因此，Loth 的团队面临着创造既巨大又相对轻巧，并且在飓风面前仍然具有弹性的东西的难题。为了解决这个问题，研究人员借鉴了自然界自身的设计解决方案之一：棕榈树。“棕榈树非常高，但结构非常轻巧，如果风很大，树干可以弯曲，”Loth 说。“我们正试图使用相同的概念——设计我们的风力涡轮机具有一定的柔韧性，可以弯曲并适应气流。”
在该团队的设计中，两个叶片位于涡轮机塔架的下风侧，而不是像传统涡轮机那样位于上风侧。叶片也会随着风向改变形状，类似于棕榈树。“当叶片以下风角度向后弯曲时，你不需要将它们建造得那么重或那么坚固，因此你可以使用更少的材料，”Loth 解释说。这种设计还减少了强风将旋转的叶片弯向其塔架的可能性，从而可能击倒整个结构 [视频]。 “叶片将适应高速并开始折叠起来，因此它们受到的动态力较小，”Loth 说。“我们希望我们的涡轮机能够在非运行条件下承受高于每小时 253 公里的风速。” Loth 补充说，当风速高于每小时 80 到 95 公里时，系统将关闭，叶片将弯曲背风，因此它们可以承受猛烈的阵风。
500 米的涡轮机仍然面临挑战——没有人建造接近这种尺寸的涡轮机是有充分理由的：“你如何制造 200 米长的叶片？你如何将它们组装在一起？你如何竖立如此高的塔架？起重机的高度是有限的。而且对于海上风电，[还有] 额外的复杂性，”Niezrecki 说。该团队的设计包括分段式叶片，可以在现场从各个部件组装而成，但 Niezrecki 指出，风电行业尚未完全弄清楚如何对叶片进行分段。“有很多研究问题需要解决，”他说。“这绝对是高风险的，但也存在高回报的潜力。我不认为这些问题是无法克服的。” Hall 还质疑如此巨大的涡轮机是否是最佳尺寸。“我们正在弄清楚越大越好。问题是，大多少？我们需要找到最佳点，”他说。“我们将从这个项目中学习到很多东西。”
Loth 和他的团队尚未测试原型；他们目前正在设计涡轮机的结构和控制系统，今年夏天他们正在建造一个比实物小得多的模型——直径约两米。明年夏天，他们计划建造一个更大的版本，带有两个 20 米长的叶片，这将产生不到 1 兆瓦的电力，并将在 科罗拉多州 进行测试。Loth 本人并不 100% 确定他团队的巨型涡轮机将成为现实，但他确信值得尝试。“这是一个非常新的概念，所以[绝对]不能保证它会奏效，”他说。“但如果它成功了，它将彻底改变海上风能。”