世界需要更多的风能。但无论是设计新型风力涡轮机，还是想从现有涡轮机中榨取更多电力，测试新方法都面临巨大挑战。这是因为大气环境很难满足受控实验的条件。
一些研究人员使用风洞进行测试，但传统风洞中缩小比例的风力涡轮机与实际野外条件相差甚远（风力涡轮机是人类制造过的最大的旋转机械）。这一问题不仅阻碍了更优风力涡轮机的研发，也影响了人们对一些基本问题的理解，比如当风向变化时，涡轮机的发电量会如何变化。
在一篇发表于《PNAS Nexus》的开放获取新论文中，研究人员通过使用一种高压风洞来模拟大气中的流体物理特性，缩小了野外实验与实验室实验之间的差距。借助这种方法，研究人员确定了涡轮机朝向以及其叶尖速度相对于风速的关系如何影响发电量，为如何从现有风电场中获得更多电力提供了新见解。
他们还利用这一方法验证了一个计算成本较低的模型，工程师可以用它来测试不同的涡轮机设计和风电场控制策略。
综合来看，研究人员估计，通过优化涡轮机相对于风的朝向、控制翼型攻角的叶片桨距角，以及叶尖相对风速的比值，每台涡轮机每年有望增加数万美元的收入。
“这项研究的直接影响在于，我们已经改进并验证了应用于现有风电场控制协议的模型，”麻省理工学院杰弗里·奇亚职业发展教授迈克尔·霍兰德说道。“更长远、也更具潜力的影响，是这种新的实验范式，它能够比以往更快地进行原型设计、验证仿真模型，并测试关于更优设计与控制策略的假设。”
与霍兰德共同撰写该论文的还有第一作者、女王大学助理教授约翰·库雷莱克；麻省理工学院博士候选人伊兰·厄普法尔和柯比·赫克；女王大学博士后苏彭·皮耶里斯；宾夕法尼亚州立大学研究员亚历山大·皮克；以及普林斯顿大学教授马库斯·胡尔特马克。
风中寻答案
多年来，霍兰德一直致力于开发模拟风电场性能的模型，并研究提升其发电量的新技术。2022年，他曾证明，在控制整个风电场时考虑单个涡轮机的尾流效应，可以显著提高发电量。
但那项研究要求他的团队先进行一次耗时较长的野外实验，通过在数月内故意使涡轮机与风向错位，来更好地理解涡轮机在错位状态下的性能，而这一过程暂时降低了一座真实风电场的发电量。
“风能是一个在实验研究上极具挑战性的领域，”霍兰德说。“我们希望单独测试某个变化的影响，但风电场运行在混乱、湍流的环境中，天气条件不断变化。风力涡轮机必须对我们无法控制的天气条件做出反应，这就给识别所研究变化的实际影响带来了复杂性。这一领域正好处于环境流体力学、机械学、空气动力学和气象学的独特交叉点上。”
由于在真实风电场进行实验困难重重，研究人员和工程师们一直难以确定风与涡轮机之间的对齐角度，或诸如叶尖速度相对风速等因素的变化会如何影响发电量。
事实上，研究人员表示，许多人们所使用的预测模型都建立在“涡轮机始终与风向完全垂直”的假设之上。而即使是现代能够根据风向快速变化逐步调整角度的涡轮机，在现实中也很少能做到这一点。
“人们一直在争论哪种模型才是理解这些风电场发电量的最佳方式，但如果没有可供比较的对象，这个领域就很难取得进展，”胡尔特马克说。“这篇论文试图同时解决这两个问题。”
胡尔特马克在普林斯顿大学的实验室率先开创了在加压风洞中研究缩小比例风力涡轮机的方法。此前的研究表明，这种方法能够更好地复现大气环境中大型涡轮机的运行状态，因为压力会使空气密度增大，从而在缩小规模的实验室环境中产生更大的惯性。在这项新研究中，研究人员使用了一台直径为15厘米的涡轮机，在最高达240个大气压的不同压力条件下进行测试。
“通过对腔室加压，我们实际上是在测试一台——在其他条件相同的情况下——直径为15到20米，甚至可以达到35米的涡轮机，”论文第一作者库雷莱克解释道，“这是因为我们将密度提高了100到220倍。”
库雷莱克将风洞和风力涡轮机装置的尺寸参数发给了霍兰德，后者利用这些数据，借助新开发的统一风力涡轮机模型计算出空气动力学特性、受力情况和发电量。该模型建立在此前一项为风力涡轮机建立更通用空气动力学理论的研究基础之上。这一新模型使研究人员能够在不同工况下模拟风力涡轮机的性能，而无需依赖历史上风能模型中常用的经验修正。
随后，研究人员在数周内于风洞中进行了一系列实验，测试涡轮机在不同风向对齐角度以及不同控制策略下的性能，从而分离出每个因素对性能的影响。
他们发现，通过根据涡轮机与风的错位角度调整叶尖速度，可以显著提高发电量——这种控制策略在当今的风电场中很少被采用，但它有望以极低的额外成本提升性能。
“实验最重要的成果，清楚地表明当涡轮机与风向发生错位时，仅通过改变叶尖速度就能实现新的发电峰值，”库雷莱克说。
推广该方法
这项研究验证了霍兰德的模型，该模型运算速度足够快，全球从事风力涡轮机设计与运营的工程师可以在普通笔记本电脑上运行它。
“我们真正想知道的是，如果涡轮机始终处于某种程度的错位状态，我们应该如何控制涡轮机以获得最大可实现的发电量？”霍兰德解释道。“我们的统一动量模型几年前就已经能够对如何进行这种控制做出预测，而这是我们第一次通过实验验证了该模型。”
霍兰德表示，验证模型只是这篇论文潜在影响的一部分。
“这项研究还表明，在马库斯和约翰所使用的加压设施中进行这种高通量、受控实验存在巨大机遇，使我们能够以省时且低成本的方式实现正确的物理条件，”霍兰德说。“目前，理想化的理论与仿真模型，同极其复杂的野外全尺寸测试之间存在巨大差距。除了这些加压实验之外，没有其他方法能够填补这一差距。我希望这能成为一个契机，在受控环境中研究大量尚未解答的风能问题。”
这项研究部分得到了加拿大自然科学与工程研究委员会、美国国家科学基金会以及麻省理工学院-通用电气维诺瓦联盟的支持。
Q&A
Q1：加压风洞实验是如何帮助提升风力涡轮机发电量的？
A：研究人员使用高压风洞模拟大气中的流体物理特性，缩小了野外实验与实验室实验之间的差距，从而能够精确测定涡轮机朝向和叶尖速度相对风速的关系对发电量的影响，为优化现有风电场发电效率提供了新方法。
Q2：优化涡轮机控制策略能带来多大的经济效益？
A：研究人员估计，通过优化涡轮机相对于风的朝向、叶片桨距角以及叶尖相对风速的比值，每台涡轮机每年有望增加数万美元的额外收入。
Q3：为什么传统风洞难以准确模拟真实风力涡轮机的性能？
A：传统风洞中缩小比例的风力涡轮机与实际野外条件差异很大，因为风力涡轮机是人类制造过的最大旋转机械之一，而加压风洞通过增大空气密度、产生更大惯性，能够更好地复现大型涡轮机在大气中的真实运行状态。
