特別的設(shè)計(jì)使無葉片風(fēng)力渦輪機(jī)能夠獲取能量
--通過CAE仿真驗(yàn)證無葉片風(fēng)力渦輪機(jī)這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)是可行的  
    當(dāng)您想到風(fēng)力渦輪機(jī)時(shí)，頭腦中通常會(huì)出現(xiàn)一種在風(fēng)中旋轉(zhuǎn)的，具有兩個(gè)或三個(gè)旋轉(zhuǎn)葉片的高聳結(jié)構(gòu)。然而，一家西班牙的公司 Vortex Bladeless 想要改變大眾的這些認(rèn)知。該公司開發(fā)出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特點(diǎn)是沒有葉片。該系統(tǒng)，也稱為“Vortex Bladeless”，原理是充分利用空氣動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定性來捕獲能量。

    Vortex Bladeless 的工程師在幾年前已創(chuàng)造出了該創(chuàng)新風(fēng)力渦輪機(jī)的樣機(jī)。為了減少開發(fā)時(shí)間和成本，他們轉(zhuǎn)而使用有限元分析 (FEA) 和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 解決方案來驗(yàn)證其設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)過程。 

關(guān)于風(fēng)力渦輪機(jī)

    傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)具有圍繞水平軸旋轉(zhuǎn)的葉片，通常由塔架、控制系統(tǒng)和葉片組成。當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)葉片使其旋轉(zhuǎn)時(shí)，葉片會(huì)帶動(dòng)連接到發(fā)電機(jī)的軸旋轉(zhuǎn)起來，然后，發(fā)電機(jī)就可以發(fā)電。

    風(fēng)力渦輪機(jī)擁有各種不同規(guī)格。額定功率低于100千瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)可用于抽水等小型應(yīng)用； 而額定功率從100千瓦到幾兆瓦的可用于風(fēng)力發(fā)電場等大型應(yīng)用。與風(fēng)力渦輪機(jī)相關(guān)的成本包括建筑、基礎(chǔ)設(shè)施、維護(hù)和運(yùn)輸?shù)取τ谛⌒图矣蔑L(fēng)力渦輪機(jī)來說，安裝成本約為每千瓦7000美元。一 臺(tái)功率為1兆瓦的大型商用風(fēng)力渦輪機(jī)成本接近100萬美元。

    根據(jù)全球風(fēng)能協(xié)會(huì)（Global Wind Energy Council）報(bào)道，風(fēng)電行業(yè)總體呈增長態(tài)勢。推動(dòng)其增長的趨勢包括：氣候、風(fēng)力和太陽能技術(shù)成本的降低、美國市場的穩(wěn)定性以及其他地區(qū)（包括亞洲）行業(yè)的增長。 

    該協(xié)會(huì)預(yù)測：到2030年，風(fēng)電將達(dá)到2.11萬億瓦并供應(yīng)全球20%的電力。這會(huì)為全球創(chuàng)造240萬個(gè)新工作機(jī)會(huì)，并將二氧化碳的排放量減少33億多噸。

替代傳統(tǒng)方法

    Vortex Bladeless 風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以替代傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)。它具有在風(fēng)中振蕩的圓柱形形狀， 并且通過線性交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生電力。該設(shè)備頂部配置有固定的桅桿、發(fā)電機(jī)以及中空、輕質(zhì)和半剛性的玻璃纖維圓柱。

    外部的圓錐形柱被設(shè)計(jì)成基本上是剛性的且具有振動(dòng)的能力，并始終固定在底部桿上。柱體頂部不受限制，可以在風(fēng)中振蕩。內(nèi)部圓柱形桿可以穿過桅桿多達(dá)20%的長度，其頂部被固定在桅桿上，底部固定在地面上。

    該設(shè)備利用了被稱之為“卡門渦街”的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。當(dāng)風(fēng)繞過鈍體時(shí)，空氣流動(dòng)被改變并產(chǎn)生循環(huán)的旋渦（渦旋空氣）。如果這些力量足夠大，設(shè)備就可以開始振蕩并與風(fēng)的側(cè)向力產(chǎn)生共振。 這種空氣動(dòng)力的不穩(wěn)定性被稱為“渦激振動(dòng)”。

    無葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)不是避免渦激振動(dòng)，而是反之利用這種振動(dòng)捕獲能量。

了解振動(dòng)

   “渦街”效應(yīng)于1911年首次由理論空氣動(dòng)力學(xué)先驅(qū) Theodore von Kármán 給出了解釋。這種效應(yīng)由施加在浸入層流中的任何固定物體上的風(fēng)的側(cè)向力產(chǎn)生。

    空氣繞過物體，產(chǎn)生循環(huán)的漩渦氣流，這對于垂直圓柱形結(jié)構(gòu)（如塔架、桅桿和煙囪）是一種工程上的挑戰(zhàn)。這些物體可能會(huì)開始振動(dòng)，與風(fēng)的側(cè)向力產(chǎn)生共振，并最終倒塌。這種效應(yīng)對建筑物產(chǎn)生影響的例子有1965年在英格蘭蓬特菲斯特附近的費(fèi)里布里奇發(fā)電廠發(fā)生的三座冷卻塔的倒塌和1940年在美國華盛頓州發(fā)生的塔科馬海峽吊橋的坍塌。

    但是Vortex Bladeless的工程師們找出了一種使用這種空氣動(dòng)力來產(chǎn)生能量的方法：Vortex風(fēng)力發(fā)電機(jī)可成功地調(diào)適其固有頻率，以在不同的速度范圍內(nèi)與風(fēng)渦流產(chǎn)生頻率共振。

    振動(dòng)的固有頻率取決于結(jié)構(gòu)的質(zhì)量（質(zhì)量的增加會(huì)減少固有頻率）和剛度（剛性增加會(huì)產(chǎn)生較高的頻率）。Vortex 發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)（包括結(jié)構(gòu)的直徑、高度和總質(zhì)量）旨在從觀測到的平均風(fēng)速中獲得更大性能。

    該公司通過改變其結(jié)構(gòu)的剛度，進(jìn)一步更大限度地提高發(fā)電機(jī)在給定風(fēng)速下的輸出。桿的頂部具有永磁體的磁約束系統(tǒng)，其會(huì)根據(jù)屈曲度增加系統(tǒng)的表觀剛度。

    當(dāng)風(fēng)力加劇時(shí)，排斥磁力會(huì)增大。這會(huì)進(jìn)而縮短桿和磁體之間的距離。結(jié)果是，振蕩和可能產(chǎn)生的能量會(huì)增加到最大。因此，Vortex 可以自動(dòng)改變剛度并與進(jìn)風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行“同步”以保持共振，而無需任何機(jī)械或手動(dòng)干預(yù)。

    Vortex Bladeless 通過由線圈和磁體制成的交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電，這些線圈和磁體針對渦流動(dòng)力學(xué)進(jìn)行過調(diào)整。沒有齒輪或相接觸的運(yùn)動(dòng)部件，因而沒有摩擦。該公司報(bào)告稱，測試顯示，電轉(zhuǎn)換產(chǎn)率為傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式交流發(fā)電機(jī)所獲得的效率約70%至85%。

計(jì)算建模

    為幫助開發(fā)高效的設(shè)備，Vortex 的工程師與Altair 合作創(chuàng)建了計(jì)算模型。Altair 在整個(gè)開發(fā)過程中對 Vortex 的工程師進(jìn)行支持和培訓(xùn)。

    最初的合作是對設(shè)備的空氣動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行仿真。Altair工程師使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 求解器 AcuSolve? 和結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件 OptiStruct? 進(jìn)行流體-結(jié)構(gòu)相互作用研究。計(jì)算機(jī)輔助工程 (CAE) 模型使工程師能夠預(yù)測 Vortex Bladeless 在不同風(fēng)力強(qiáng)度下的運(yùn)動(dòng)。此外，Vortex Bladeless 的工程師還使用 HyperWorks的虛擬風(fēng)洞軟件Virtual Wind Tunnel? 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了外部空氣動(dòng)力學(xué)分析。

    最近的發(fā)展方向包括優(yōu)化交流發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)的幾何形狀。利用新的幾何形狀，該系統(tǒng)可以捕獲近40%的風(fēng)能（與傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)相似）。根據(jù)貝茨定律，可以從風(fēng)能中獲取的能量是其動(dòng)能的 59.3%（這與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)無關(guān)）。

    Vortex Bladeless 的聯(lián)合首席執(zhí)行官 David Yanez 表示：“如果不使用CAE仿真技術(shù)，我們產(chǎn)品的開發(fā)速度會(huì)很慢。而且成本更高，因?yàn)槲覀冃枰圃旄嗟臉訖C(jī)。我們堅(jiān)信 Altair的解決方案能滿足我們的需求。這種信心不僅僅來源于其強(qiáng)大的軟件功能，還因?yàn)锳ltair在合作中提供了非 常寶貴的技術(shù)支持。虛擬仿真結(jié)果展示是我們的里程碑之一。我們深信，Altair的幫助會(huì)對我們的日常工作產(chǎn)生重大影響。”

創(chuàng)新案例

    Vortex Bladeless團(tuán)隊(duì)將幾大優(yōu)勢引用到了其創(chuàng)新的風(fēng)能系統(tǒng)中。其中主要的是成本。根據(jù)工程師的預(yù)期，相比于傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，最終的Vortex Bladeless產(chǎn)品有望將制造成本降低53%、將運(yùn)營成本降低51%。

    此外，該設(shè)計(jì)完全消除了可能會(huì)因摩擦導(dǎo)致?lián)p壞的機(jī)械元件。據(jù)公司估計(jì)，相比于傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)，維護(hù)費(fèi)用有望因此減少80%。

    Vortex Bladeless的工作原理還可以使系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

    ? 無需針對風(fēng)向調(diào)整安裝角度。

    ? 改善與“陰影效應(yīng)”相關(guān)的限制，即下游風(fēng)流的干擾。這就是傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在安裝時(shí)需要彼此保持一定距離的原因。

    ? 更大限度地減少對鳥類的威脅。

    ? 靜音運(yùn)行。如果設(shè)備的振動(dòng)頻率低于20赫茲，則完全不會(huì)有噪音影響。

    最初的Vortex Bladeless產(chǎn)品設(shè)計(jì)旨在產(chǎn)生100瓦的電力供非洲和印度使用。該公司還計(jì)劃開發(fā)可提供4千瓦電力的產(chǎn)品，用于與太陽能電池板一起使用，以及用于更大應(yīng)用的1兆瓦的產(chǎn)品。

 關(guān)于Altair公司

    Altair公司是先進(jìn)的工程設(shè)計(jì)技術(shù)的開發(fā)者之一，也是一家具有全球深厚工程技術(shù)底蘊(yùn)的優(yōu)秀CAE工程公司。Altair公司擁有多元化的業(yè)務(wù)主線，其技術(shù)涵蓋高端CAE仿真和優(yōu)化技術(shù)、數(shù)據(jù)管理及流程自動(dòng)化、高性能計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)，同時(shí)具備先進(jìn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、流程定制、二次開發(fā)等咨詢服務(wù)能力。Altair目前為私人所有，總部設(shè)在美國底特律，在全球擁有2600多位員工，分支機(jī)構(gòu)遍及美洲、歐洲及亞太地區(qū)。憑借其在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、先進(jìn)CAE工程軟件開發(fā)和網(wǎng)格計(jì)算技術(shù)等方面擁有30多年的經(jīng)驗(yàn)，Altair不斷為各個(gè)行業(yè)的客戶創(chuàng)造競爭優(yōu)勢。