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

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

為什么是三葉片？

風(fēng)車(chē)作為風(fēng)電機的“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(chē)的形象也深入人心。

美國西部的多葉片提水風(fēng)車(chē)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(chē)已經(jīng)成型，為什么到風(fēng)力發(fā)電機上，變成了三葉片呢？

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

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

對稱(chēng)的兩支葉片可以改善這種受力不平衡的狀況，但依然不夠穩定，在更理想的載荷控制技術(shù)出現之前，雙葉片風(fēng)電機的應用依然會(huì )受到限制。

三葉片風(fēng)力機因其最佳的布局形式解決了平衡的問(wèn)題，但“重”也成為“痛點(diǎn)”之一。單個(gè)風(fēng)電葉片重達20噸，三支葉片組成的風(fēng)輪就超過(guò)了60噸，真就是一個(gè)沉甸甸的大家伙。地面上的基礎一旦存在有質(zhì)量問(wèn)題，整個(gè)機組都有可能傾覆倒塌。

有的廠(chǎng)家將風(fēng)力機“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）安裝了一臺有四個(gè)風(fēng)輪的風(fēng)力機，機組在悄無(wú)聲息地運轉了兩年之后被完全拆除。由于機型的稀缺性導致相關(guān)數據異常寶貴，兩家機構至今也幾乎從未對外公開(kāi)過(guò)任何數據。

沒(méi)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(wú)葉片”方案。傳奇的電學(xué)巨匠特斯拉（Nikola Tesla）就曾經(jīng)申請過(guò)一款無(wú)葉片渦輪機的專(zhuān)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(wú)葉片風(fēng)力機。風(fēng)推動(dòng)內部的圓盤(pán)旋轉，帶動(dòng)發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電。然而，這種“小豬佩奇”般的風(fēng)電機，需要嚴格保證各個(gè)部件加工制造的精度，同時(shí)要求風(fēng)必須對準進(jìn)風(fēng)口，這樣苛刻的條件制約了它的發(fā)展。

無(wú)葉片風(fēng)力機的原型機 | endalldisease.com

為了利用各個(gè)方向的來(lái)風(fēng)，人們開(kāi)發(fā)出“倒置大喇叭”造型的無(wú)葉片風(fēng)力機。這個(gè)在衡水市安裝使用的風(fēng)力發(fā)電機，能夠全方位捕捉風(fēng)能，并充分利用微風(fēng)，待氣流進(jìn)入內部后，隨著(zhù)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)電機進(jìn)行發(fā)電。

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

它利用了“卡門(mén)渦街”現象：空氣流過(guò)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生“漩渦”，誘發(fā)柱子產(chǎn)生往復振動(dòng)。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是柱子搖一搖，電就發(fā)出來(lái)。但該機型的效率極為有限，長(cháng)期的振動(dòng)會(huì )加劇材料的磨損，目前尚不具備商業(yè)化應用價(jià)值。

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

未來(lái)可期的垂直軸風(fēng)力機

2016年，冰島國家音樂(lè )中心附近的風(fēng)電公交車(chē)站投入運營(yíng)，車(chē)亭上方奇怪造型的的垂直軸風(fēng)力機為照明和電子產(chǎn)品提供電力。這臺機組不僅能夠適應低風(fēng)速環(huán)境（2米/秒）,在颶風(fēng)等級（超過(guò)50米/秒）的寒風(fēng)中同樣可以正常工作。

垂直軸風(fēng)力機的旋轉軸垂直于氣流方向，一般也垂直于地平面。傳統的水平軸風(fēng)力機需要面朝大風(fēng)，而垂直軸風(fēng)力機對任意風(fēng)向的風(fēng)都是來(lái)者不拒，照單全收。

垂直軸發(fā)電機的結構承載力也大大增強，從而可以應對更強的風(fēng)級。這些特性使得垂軸發(fā)電機在廣袤的海洋煥發(fā)生機。

腦洞大開(kāi)的新型風(fēng)力機

荷蘭建筑師設計的“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(zhù)噴嘴，通過(guò)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 | WonderfulEngineering

電影《超能陸戰隊》中，高空里漂浮著(zhù)很多的汽艇發(fā)電機為城市供電，其實(shí)這一技術(shù)在現實(shí)生活中已經(jīng)實(shí)現了。高空的平均風(fēng)速遠遠大于地表，并且風(fēng)速波動(dòng)更加平穩，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”。

為了使整體結構更加輕盈，“風(fēng)箏風(fēng)力機”應運而生。

雖然這些“腦洞大開(kāi)”的風(fēng)電機看似美好，但如何高效、穩定地傳輸電力依然是個(gè)大問(wèn)題，阻礙了更大規模的應用。

當今，成熟的三葉片風(fēng)力機技術(shù)已經(jīng)大規模投入使用，但科學(xué)家們依然在探索著(zhù)新型發(fā)電機。千奇百怪的外形只是表面現象，無(wú)限接近風(fēng)能利用極限是風(fēng)能研究的永恒目標。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

[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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