一个年代在毫无特色的土路上开2010年的第一个星期二,John Dabiri,航空和生物工程教授,加州理工学院的罗伯特•Whittlesey,那么,学生是检查一个偏远地区的土地,他们希望购买测试风力发电的新概念。他们将他们的站点命名为FLOWE，即优化风能领域实验室。这片位于加州羚羊谷(Antelope Valley)的四英亩土地，位于被干枯植被覆盖的平缓小丘之间，曾经注定要成为一个购物中心，但这些计划都落空了。土地很便宜。更重要的是，当时风很大。
估计在250万亿瓦特，地球上的风量有可能提供目前全球能源消耗量的20多倍。然而，只有四个国家 - 西班牙，葡萄牙，爱尔兰和丹麦 - 这种方式产生了10％以上的电力。美国是最大，最富裕，最豪华的国家之一，大约是4％。有的原因。风电场扩展带来了巨大的工程成本，难看的乡村，响亮的声音，对军事雷达的破坏以及野生动物的死亡。最近估计造成杀死600,000蝙蝠的涡轮机1以及多达44万只鸟2一年。2014年6月19日，美国鸟类学习提起诉讼3.反对联邦政府要求其减少风力发电场对日益减少的鹰群的影响。4虽然独立的水平轴涡轮机能很好地收集风能，但在一组中，它们是高度挥霍的。当它们像螺旋桨一样的叶片旋转时，面向风的涡轮机扰乱了自由流动的空气，在它们后面产生了缓慢移动、贫瘠的空气尾流。
这种空气动力干扰的问题可以在海上风电场中观察到，这些风电场的尾部是冷凝的，紊流空气尾随着先锋涡轮机，就像被风遮住的面纱;一层阻挡它到达的涡轮机的面纱。Whittlesey解释说:“因为风力涡轮机的全部工作就是从风中提取能量，这种速度较慢的风最终导致可提取和产生电力的可用能量较少。”水平轴涡轮机的巨大尺寸——在某些情况下超过100米高——决定了它们需要彼此相距很远，留下巨大的间隙，根本不会产生风。这类似于种植一个间隔超过40米的苹果园。
为了解决这个问题，许多研究人员都观察了大自然的植物群和动物群。一些涡轮叶片被设计为驼背鲸的块状鳍的模拟，其他人在图中旋转八个运动类似于大黄蜂的翼跳。
Dabiri和他的同事尝试了一个不同的想法 - 他们使用了更小，更简单，更便宜的垂直轴风力涡轮机，其立场受到海外学校的鱼类的启发。
一个当达比利还是个大学生时，他模拟了水母的波动运动。十年后，他参与了水母的建造，这是一种由弹性硅树脂和老鼠心脏细胞制成的合成水母，当施加脉动电场时，它会像活水母一样游动。5在此期间，达比利还迷上了另一种非正统的组合:鱼群和风能。
形成大型同步群体对鱼类有其优势，包括躲避捕食者、提高觅食成功率和接近配偶。它还会产生大量的湍流。当一条鱼从一边到另一边拍打它的尾巴时，它就会创造出一个循环漩涡的尾迹，它的追随者不得不在漩涡中游泳。但鱼群的排列方式是，每条尾随的鱼游在前面的同类鱼的后面或中间，鱼群利用这些漩涡推动自己前进。Whittlesey说:“(这些漩涡)旋转的方式实际上减少了鱼在移动自己时所投入的能量。”就像每条鱼旁边都有一系列的水下轮子来补充它们自身的推进力。6
这些模式让达比利和惠特尔西思考:如果鱼类可以从它们邻居产生的漩涡中受益，那么它们的垂直轴风力涡轮机也能做到吗?为了估计这些仿生阵列能产生多少能量，他们使用了计算机模型。惠特尔西说:“我们所做的是把垂直轴风力涡轮机放在同一个位置(并旋转)，这样我们就能看到鱼在游动时从鱼身上脱落的漩涡。”但在这种模式下，与独立涡轮机相比，它们的涡轮机没有显示出生产率的提高。惠特尔西说他们并不感到惊讶。“鱼类专注于利用其他鱼类的尾流来节约能源，而不是最大限度地提高能源产量。”因此，他们将风力涡轮机移出了鱼群的严格安排，但让成对的涡轮机朝相反的方向旋转——想想颠倒的电动打蛋器——由此产生的计算机模型看起来很有希望。他们决定在FLOWE站点测试他们的反向旋转双态结构。
他们使用了18个不同配置的涡轮机，收集了数千小时的数据。他们发现，打蛋器对的排列方式确实是最多产的，每平方米土地能产生20-30瓦的电力。这比一些最高产的现代风力发电场增长了十倍。7“提高几个百分点是一回事，”惠特尔西说。“但我们说的是数量级——这是相当可观的。”
Dabiri和Whittlessyy不知道为什么涡轮机紧密定位的对最有效，但它们有几个工作理论。首先，在这种双旋转涡轮机中产生的空气流量升高了其伴侣的速度，反之亦然。“他们有点像齿轮;您可以想象，通过顺时针旋转，另一个旋转逆时针，它们可以相互互惠互惠互惠们，“Whittlesey说。第二种理论是这些涡轮机背后的慢风的唤醒大大降低了。“随着我们的水平轴风力涡轮机接受，唤醒并不像持久性。”
因此，在这些系统中，自由流动的空气更容易获得，这使得涡轮对更紧密地排列在一起——与水平轴风力涡轮机的标准15倍直径相比，只有4倍直径的距离。利用更少的空间，这些亲密的阵列可以利用更大比例的风。
该团队还在阿拉斯加州伊库吉格村测试两个垂直轴风力涡轮机。由戈登和贝蒂·摩尔基金会(Gordon and Betty Moore Foundation)资助的这个初步项目，旨在安装50到70个肉眼不显眼的小型涡轮机，为整个村庄供电。现在，居住在阿拉斯加布里斯托尔湾这个偏远地区的大约50名居民完全依赖昂贵而费力的柴油运输来发电。Whittlesey说:“这使得风能真的很有吸引力，因为只有资本成本和维护，但至少燃料是免费的。”
达比利和他的同事们也在寻找另一种海洋生物:海草，以进一步优化它们的排列。海草床利用水的垂直循环将氧气和营养物质输送到它们的组织中。他们不同高度的茎被认为增加了这种循环。因此，研究小组将使用不同高度的涡轮机来研究如何更好地利用来自农场树冠上方的风。
生物工程师们希望，利用这些试验点作为跳板，不仅能让风力发电在经济上更可行，还能解决一些让风力发电受到严格审查的缺点。由于其体积小，垂直轴涡轮机需要更少的建筑材料，更安静，不干扰雷达信号。也许更重要的是，它们不需要大片的土地，也不会干扰到秃鹰和金鹰等濒危鸟类。Whittlesey解释说:“当垂直轴风力涡轮机旋转时，它看起来像一个固体物体，使野生动物更容易避开它们。”“据我所知，从未有鸟类或蝙蝠死亡与这些涡轮机有关……在加州，我们爱我们的鸟类。”
Alex Riley拥有动物学硕士学位，在他的博客上写了从自然界到倭黑猩猩的各种话题。他的推特账号是@riley__alex。
参考
1.海斯，M.A.蝙蝠在美国风能设施大量丧生。生物科学63, 975 - 979(2013)。
2.风能常见问题．美国鸟类保护协会www.abcbirds.org。
3.Deborah Shearwater, Steven A. Thal, Michael Dee, Carolyn Ctockett博士，Robert M. Ferris, and American Bird Conservancy v. Dan Ashe, Director, United States Fish and Wildlife Service;美国内政部部长莎莉·朱厄尔没有五14 - cv - 02830（2014）。
4.美国鸟类保护协会控告联邦政府30年捕杀鹰的规定。美国鸟类保护协会www.abcbirds.org（2014）。
5.李鸿源Nawroth,et al。用仿生推进的组织工程水母。自然生物技术30., 792 - 797(2012)。
6. Whittlesey，R.W.，Liska，S.，＆Dabiri，J.O。鱼类教育作为垂直轴风力涡轮机农场设计的基础。生物灵感和仿生学5(2010)。检索从doi: 10.1088 / 1748 - 3182/5/3/035005。
7.通过反向旋转垂直轴风力涡轮机阵列，风电场功率密度的潜在量级增强。可再生和可持续能源杂志3.（2011）.检索从doi: 10.1063/1.3608170。
