提起“風(fēng)力發(fā)電機(jī)”，你的腦海中是不是立刻浮現(xiàn)出“三葉片白色大風(fēng)車”？

除了這經(jīng)典的造型之外，真實(shí)的風(fēng)力機(jī)還有著各種魔性的造型。

為什么是三葉片？

風(fēng)車作為風(fēng)電機(jī)的“鼻祖”，在荷蘭發(fā)揮了巨大的排水作用，從而聞名世界。四葉片荷蘭風(fēng)車的形象也深入人心。

美國西部的多葉片提水風(fēng)車曾經(jīng)也廣為流行。多支葉片可以使整個(gè)風(fēng)輪產(chǎn)生較大的功率，提供更充足的動(dòng)力。

四葉片甚至多葉片風(fēng)車已經(jīng)成型，為什么到風(fēng)力發(fā)電機(jī)上，變成了三葉片呢？

葉片數(shù)目不會(huì)直接影響能量利用率，相反，葉片數(shù)目過多會(huì)干擾空氣流動(dòng)，降低風(fēng)能的利用率。風(fēng)能利用設(shè)備最多只能捕獲風(fēng)中59.3%的動(dòng)能，并加以利用。這么說來，風(fēng)力機(jī)哪怕只有一支葉片，也可以產(chǎn)生同樣多的電。

不過，單葉片風(fēng)電機(jī)并沒有成為主流。單只葉片會(huì)使風(fēng)輪極度不平衡，嚴(yán)重威脅整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全性。想象一下，一大團(tuán)衣服纏繞在一起甩干時(shí)的樣子……整個(gè)洗衣機(jī)會(huì)劇烈振動(dòng)，甚至直接罷工。

對(duì)稱的兩支葉片可以改善這種受力不平衡的狀況，但依然不夠穩(wěn)定，在更理想的載荷控制技術(shù)出現(xiàn)之前，雙葉片風(fēng)電機(jī)的應(yīng)用依然會(huì)受到限制。

三葉片風(fēng)力機(jī)因其最佳的布局形式解決了平衡的問題，但“重”也成為“痛點(diǎn)”之一。單個(gè)風(fēng)電葉片重達(dá)20噸，三支葉片組成的風(fēng)輪就超過了60噸，真就是一個(gè)沉甸甸的大家伙。地面上的基礎(chǔ)一旦存在有質(zhì)量問題，整個(gè)機(jī)組都有可能傾覆倒塌。

有的廠家將風(fēng)力機(jī)“化整為零”，使用多支小葉片，變身為四頭十二臂。2016年，風(fēng)電龍頭企業(yè)維斯塔斯（Vestas）在丹麥技術(shù)大學(xué)（Technical University of Denmark）安裝了一臺(tái)有四個(gè)風(fēng)輪的風(fēng)力機(jī)，機(jī)組在悄無聲息地運(yùn)轉(zhuǎn)了兩年之后被完全拆除。由于機(jī)型的稀缺性導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)異常寶貴，兩家機(jī)構(gòu)至今也幾乎從未對(duì)外公開過任何數(shù)據(jù)。

沒葉片，也有電

瘋狂的科學(xué)家并不甘心接受平庸的葉片，從而提出了“無葉片”方案。傳奇的電學(xué)巨匠特斯拉（Nikola Tesla）就曾經(jīng)申請(qǐng)過一款無葉片渦輪機(jī)的專利，但由于缺少合適的制造材料，最終不了了之。

基于這個(gè)思路，人們研發(fā)出了蝸殼外形的無葉片風(fēng)力機(jī)。風(fēng)推動(dòng)內(nèi)部的圓盤旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。然而，這種“小豬佩奇”般的風(fēng)電機(jī)，需要嚴(yán)格保證各個(gè)部件加工制造的精度，同時(shí)要求風(fēng)必須對(duì)準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)口，這樣苛刻的條件制約了它的發(fā)展。

無葉片風(fēng)力機(jī)的原型機(jī) | endalldisease.com

為了利用各個(gè)方向的來風(fēng)，人們開發(fā)出“倒置大喇叭”造型的無葉片風(fēng)力機(jī)。這個(gè)在衡水市安裝使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，能夠全方位捕捉風(fēng)能，并充分利用微風(fēng)，待氣流進(jìn)入內(nèi)部后，隨著沿途緩慢收縮的管道，氣流速度被逐漸增大，最后推動(dòng)位于截面最窄處的發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

除了通過把風(fēng)“騙”到自身內(nèi)部進(jìn)行發(fā)電，有的企業(yè)更進(jìn)一步，回歸到最簡(jiǎn)單的柱狀結(jié)構(gòu)，推出了“如意金箍棒”——無葉片渦振器（Vortex Bladeless）。

它利用了“卡門渦街”現(xiàn)象：空氣流過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“漩渦”，誘發(fā)柱子產(chǎn)生往復(fù)振動(dòng)。簡(jiǎn)單地說就是柱子搖一搖，電就發(fā)出來。但該機(jī)型的效率極為有限，長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)加劇材料的磨損，目前尚不具備商業(yè)化應(yīng)用價(jià)值。

同樣借助“渦旋脫落效應(yīng)”的，還有另外一款無葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)“薩芬尼亞”（Saphonian bladeless）。相比“金箍棒”風(fēng)力機(jī)，“薩芬尼亞”的頂部安裝了一個(gè)活動(dòng)的圓盤和一只尾舵（豎起來的梯形板）。

未來可期的垂直軸風(fēng)力機(jī)

2016年，冰島國家音樂中心附近的風(fēng)電公交車站投入運(yùn)營，車亭上方奇怪造型的的垂直軸風(fēng)力機(jī)為照明和電子產(chǎn)品提供電力。這臺(tái)機(jī)組不僅能夠適應(yīng)低風(fēng)速環(huán)境（2米/秒）,在颶風(fēng)等級(jí)（超過50米/秒）的寒風(fēng)中同樣可以正常工作。

垂直軸風(fēng)力機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣流方向，一般也垂直于地平面。傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)力機(jī)需要面朝大風(fēng)，而垂直軸風(fēng)力機(jī)對(duì)任意風(fēng)向的風(fēng)都是來者不拒，照單全收。

垂直軸發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)承載力也大大增強(qiáng)，從而可以應(yīng)對(duì)更強(qiáng)的風(fēng)級(jí)。這些特性使得垂軸發(fā)電機(jī)在廣袤的海洋煥發(fā)生機(jī)。

腦洞大開的新型風(fēng)力機(jī)

荷蘭建筑師設(shè)計(jì)的“艾維康”（EWICON）是一張靜態(tài)的網(wǎng)，矩形的鋼架外網(wǎng)中放置有多根水平的絕緣管，每根絕緣管上密集排布著噴嘴，通過電極產(chǎn)生帶電的水霧，風(fēng)吹動(dòng)水霧形成電流，從而產(chǎn)生電能。

“艾維康”風(fēng)力機(jī) | WonderfulEngineering

電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中，高空里漂浮著很多的汽艇發(fā)電機(jī)為城市供電，其實(shí)這一技術(shù)在現(xiàn)實(shí)生活中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。高空的平均風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地表，并且風(fēng)速波動(dòng)更加平穩(wěn)，多家公司把目光投向了具有巨大潛在價(jià)值的高空風(fēng)電，制造出商品化的“汽艇發(fā)電機(jī)”。

為了使整體結(jié)構(gòu)更加輕盈，“風(fēng)箏風(fēng)力機(jī)”應(yīng)運(yùn)而生。

雖然這些“腦洞大開”的風(fēng)電機(jī)看似美好，但如何高效、穩(wěn)定地傳輸電力依然是個(gè)大問題，阻礙了更大規(guī)模的應(yīng)用。

當(dāng)今，成熟的三葉片風(fēng)力機(jī)技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模投入使用，但科學(xué)家們依然在探索著新型發(fā)電機(jī)。千奇百怪的外形只是表面現(xiàn)象，無限接近風(fēng)能利用極限是風(fēng)能研究的永恒目標(biāo)。這些藝術(shù)外表下的極致追求，正是科學(xué)家的浪漫所在。

參考文獻(xiàn)

[1]Wobbling in the wind: a bladeless a... - Information Centre - Research & Innovation - European Commission (europa.eu)

[2]VortexBladeless官網(wǎng). https://vortexbladeless.com/

[3]No blades! A pole-shaped wind turbine, Vortex Bladeless, generates power by shaking. https://www.bridgestone.com/

[4]Invelox wind turbine, does it work? - betterworldsolutions.eu

[5]Alphabet winds down energy kite division - The Verge

[6]Watson, S., Moro, A., Reis, V., Baniotopoulos, C., Barth, S., Bartoli, G., ... & Croce, A. (2019). Future emerging technologies in the wind power sector: A European perspective. Renewable and sustainable energy reviews, 113, 109270.

[7]衡水INVELOX風(fēng)電機(jī)組景縣廣川動(dòng)工

http://jingxian.hebei.com.cn/system/2016/07/18/011052501.shtml

作者：城明辰

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