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“沉默杀手”猫头鹰“带来”消音涂层风力发电机

亚洲流体网 发布时间:2016/2/19 13:48:25 浏览次数:501782 来源: 我要投稿
【导读】
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  风力发电机发出的噪音令人无法忍受,它们必须建造在远离居民区的地方,才不会打扰人们的正常生活。如果能将它的噪音大幅降低,那就清除了普及风力发电的主要障碍。

  一直被奉为自然界“沉默杀手”的猫头鹰,不同于其他鸟类羽翼划开空气时有轻微的响声,它在飞行过程中几乎没有声音,能够悄无声息地接近猎物。猫头鹰无声飞行的原理为研究减弱风力涡轮叶片噪音(不影响空气动力的情况下)的项目提供了灵感。

  风力发电机运转时发出的噪音,通常是建造风力发电厂的主要障碍

  近来,英国剑桥大学与美国的弗吉尼亚理工学院、利哈伊大学和佛罗里达大西洋大学的科学家们合作研发出了一种受猫头鹰启发全新的风力涡轮叶片涂层,能在不影响叶片性能和空气动力的前提下降低运行噪音。

  “很多猫头鹰,主要是大猫头鹰,像仓鸮或大灰猫头鹰,能够从高处俯冲下来而不被猎物察觉,隐匿地捕食。”该项目的领导者之一、剑桥大学应用数学以及理论物理系的NigelPeake教授说,“猫头鹰的翅膀结构能平滑地穿过空气,使声音被散射,达到降低噪声的效果。”

  猫头鹰翅膀的结构能够散射声波,达到无声飞行

  但是这些发现又与降低风力涡轮机噪声有什么关系呢?大约在两年前,科学家们开始利用高分辨率显微图像仔细研究猫头鹰的羽毛,他们的发现促成了一个模仿猫头鹰羽毛结构的标准原型涂层的诞生。

  猫头鹰的无声飞行得益于复杂微妙的羽毛结构。猫头鹰在长期进化过程中,形成了特殊的翅膀羽毛结构。大多数鸟类用来飞行的翅膀边缘都相当齐整,类似飞机的机翼,而猫头鹰翅膀边缘及后缘拥有“灵活的边缘”,呈锯齿形。科学家采用计算机模拟分析发现,这种结构对减少空气湍流所形成的噪音起到了一定的作用。飞行时,均匀分布的羽毛加上宽的翅膀能分散声波,阻止它们累积在一起产生噪音。与此同时,厚厚的绒毛减少了翅膀表面的气压,从而提供了消音效果。正是这一点降低了气动噪声,使得猫头鹰可以悄无声息地接近猎物。

  高分辨率显微图像下的猫头鹰翅膀的羽毛

  科学家们据此在风力涡轮叶片上附上一层类似于婚礼面纱的材料,在初始测试中,该团队成功地将叶片表面噪声降低到30分贝。

  “我们将这个类似婚礼面纱的织物悬挂在叶片粗糙的表面上,来分辨所产生噪声的不同。”弗吉尼亚理工学院的WilliamDevenport博士说道,“然而我们也发现,这种织物也存在一些不合需要的成分,比如可以从侧面沿流的纤维,会影响消声效果,这些是猫头鹰羽毛中不存在的。”

  在此基础上,该团队又开发出一种3D打印塑料制成的涂层。在将其放置在风道中测试时,这种涂层成功地在不影响空气动力的情况下,将叶片的噪声降低了10分贝。“我们设想出的22种涂层布局在测试中都成功了。”Devenport教授说道,“表现最好的翼片能将噪音减少10倍,这是我们所有人都没预想到的。”

  噪音是普及风力发电的最大障碍,若想有效减少能量传输过程中的流失,那么最理想的布局是在城镇附近建造风力发电厂,但事实上风力发电机发出的噪音令人无法忍受,它们必须建造在远离居民区的地方,才不会打扰人们的正常生活。如果能将它们的噪音大幅降低,那就清除了普及风力发电最主要的障碍。

  Devenport教授说:“涂层在降低噪音的同时还能使风力涡轮旋转得更加迅速,因此能提高发电效率。”

  荷兰代尔夫特科技大学的DanieleRagni教授表示,“降低并理解风力涡轮的噪音的确是我们亟需面临的一个挑战,尤其鉴于现代风力涡轮机转子越来越大,转速更快,应用更加广泛,降低它们的噪声影响可能成为促成风电领域发展的终极推进。”

  英国的现行法规规定,距离风力发电机最近的居民区的夜晚噪音不能超过43分贝。能源和气候变化部门(DECC)的一位发言人表示,“该项法规赋予了民众取缔破坏性风力发电厂的权利,也保证了地方当局在发放风力发电厂规划申请之前认真核实所有的信息。”

  “目前世界上还有很多地区因为当地噪声法规而不能开发风能。”Ragni教授说,“这不仅会对风力发电产的开发商和运营商产生不利影响,最终也会对消费者带来能源成本上涨的影响,也将影响公共事业市场上风能的转换效率变低。”

  在如此严峻的形势下,降低风力涡轮噪声的好处就显得尤为明显了。“我的设想是,如果该项技术的应用成功提高了风力涡轮的发电效率,再加上这种涂层还能被制成一些附加产品,那么利润空间将十分可观。”Devenport教授说。

  噪音的降低也能减少人们对风力发电厂的抵触程度。Ragni表示,要通过了解风力涡轮叶片产生噪音的原理,找到使风能“在如今环保意识更强的社会中更易于接受以及更广泛普及的”方法。

  为实现这些美好的愿景,原型涂层的创新技术需要进一步的开发、实验以及获得涡轮制造商乃至整个行业的支持。

  “我们拥有该项技术的专利申请,目前已经有很多家公司来与我们商谈该项技术的进一步开发,将其应用到风力涡轮机甚至其他地方。”Devenport教授表示,“如果该项技术在未来被证明可行的话,那么大规模应用并流通于市场的那一天不会太远。

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