沒有葉片的風(fēng)機(jī)

屈魯

無葉片風(fēng)機(jī)Vortex利用“卡門渦街”原理來進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，這是風(fēng)能的一個(gè)技術(shù)飛躍，將以更有效、更便宜、更具環(huán)境友好的方式來產(chǎn)生能量。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，這使得可再生能源迅速發(fā)展起來。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW。根據(jù)國家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2014年中國全部發(fā)電設(shè)備容量為1360GW，其中并網(wǎng)風(fēng)電的容量達(dá)到了95.8GW，也就是說，風(fēng)電在中國發(fā)電總量當(dāng)中占據(jù)大約7%的份額。

一般情況下，我們所看見的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是水平軸扇葉風(fēng)機(jī)，他們有著很大的風(fēng)機(jī)葉片，以此來吸收風(fēng)能并發(fā)電。然而，這樣的風(fēng)電機(jī)有一些弊端。一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的眾多風(fēng)機(jī)之間的排列需要較大的安全距離，也就是說一塊固定大小的地面上能夠安裝的風(fēng)電機(jī)數(shù)量是有限的；另外，扇葉的旋轉(zhuǎn)也對(duì)鳥類帶來了危險(xiǎn)。

想象一下，一個(gè)沒有葉片的風(fēng)機(jī)會(huì)是什么樣子？它需要更少的材料，成本更低，噪聲更小，對(duì)環(huán)境友好度更好……就在今年，西班牙公司Vortex Bladeless開發(fā)了一款酷炫的沒有葉片的風(fēng)機(jī)——Vortex。無葉片風(fēng)機(jī)Vortex是利用結(jié)構(gòu)的振蕩捕獲風(fēng)的動(dòng)能，從而利用感應(yīng)發(fā)電機(jī)或壓電發(fā)電機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能輸出。該設(shè)計(jì)理念將減少常規(guī)渦輪機(jī)中很多零部件的設(shè)計(jì)與制造，如葉片，機(jī)艙，輪轂，變速器，制動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，從而使無葉片風(fēng)機(jī)Vortex具有無磨損、性價(jià)比高、便于安裝和維護(hù)、環(huán)境友好型及土地利用率高等顯著特點(diǎn)。

無葉片風(fēng)機(jī)Vortex的基本發(fā)電原理是卡門渦街。維基百科上這樣描述它，“在流體中安置阻流體，在特定條件下會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側(cè)，會(huì)產(chǎn)生兩道非對(duì)稱地排列的旋渦，其中一側(cè)的旋渦循時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯(cuò)排列，各個(gè)旋渦和對(duì)面兩個(gè)旋渦的中間點(diǎn)對(duì)齊，如街道兩邊的街燈般。這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國空氣動(dòng)力學(xué)家西奧多·馮·卡門最先從理論上闡明而得名“卡門渦街”?！翱ㄩT渦街”可以解釋許多現(xiàn)象。1940年11月7日美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。華盛頓州政府特為此而設(shè)立專案調(diào)查組，經(jīng)過美國空氣動(dòng)力學(xué)家西奧多·馮·卡門在加州理工學(xué)院風(fēng)洞進(jìn)行模型測(cè)試，證明塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，是卡門渦街引起吊橋共振。原設(shè)計(jì)為了求美觀及省錢，使用過輕的物料，造成其發(fā)生共振的破壞頻率，與卡門渦街接近，從而隨強(qiáng)風(fēng)而劇烈擺動(dòng)，導(dǎo)致吊橋崩塌。

與一般風(fēng)機(jī)通過渦輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉風(fēng)能所不同的是，無葉片風(fēng)機(jī)Vortex恰恰利用了卡門渦街來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的捕獲。通過利用這種空氣動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定，無葉片風(fēng)機(jī)Vortex可與風(fēng)速“同步”以保持共振，將振蕩最大化并進(jìn)行機(jī)械能量的捕獲，進(jìn)而利用該機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電。自然地，與傳統(tǒng)的渦輪機(jī)相比，無葉片風(fēng)機(jī)Vortex的設(shè)計(jì)是完全不同的。Vortex的風(fēng)機(jī)原型主要包括5個(gè)部分：基礎(chǔ)（foundation）、固定桅桿（rod）、發(fā)電機(jī)（generation system）、調(diào)諧系統(tǒng)（tuning system）和椎體（mast）。該錐體材質(zhì)為復(fù)合玻璃纖維及碳纖維，讓錐體能盡可能產(chǎn)生最大值振蕩。若有足夠的風(fēng)量，空氣流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦量就能造成風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)振蕩與搖晃，進(jìn)而發(fā)電。通常情況下，必須在風(fēng)速達(dá)到特定的頻率才能造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振蕩。但Vortex利用塔架底部的兩個(gè)環(huán)形相斥磁鐵作為非電動(dòng)馬達(dá)，當(dāng)錐體朝其中一個(gè)方向擺蕩，底部相斥的磁鐵便會(huì)將其推往另一個(gè)方向。因此無論風(fēng)速如何，錐體本身都能持續(xù)產(chǎn)生最大值振蕩。一旦錐體開始振蕩，振蕩時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能就會(huì)通過錐體底部的發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。從無葉片風(fēng)機(jī)Vortex的發(fā)電原理來看，其屬于渦度發(fā)電機(jī)。渦度發(fā)電機(jī)的另一種使用形式為垂直軸發(fā)電機(jī)，垂直軸發(fā)電機(jī)依然使用的是直吹的風(fēng)，只不過把旋轉(zhuǎn)軸從水平變成了垂直。

無葉片風(fēng)機(jī)Vortex的一個(gè)顯著特色是其成本較低。與一般的風(fēng)機(jī)相比，其成本可減少40%。包括資金成本、運(yùn)行和維護(hù)、土地租賃、保險(xiǎn)和其他管理費(fèi)用在內(nèi)，其典型歸一化成本約為$0.035/kWh。這將極大降低開發(fā)Vortex風(fēng)場(chǎng)的資金投入，不僅對(duì)其他可再生能源開發(fā)方式具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力，與傳統(tǒng)能源相比，其性價(jià)比也較高。Vortex風(fēng)機(jī)成本的降低主要來源于制造成本的降低：Vortex將塔和發(fā)電機(jī)集成進(jìn)一個(gè)結(jié)構(gòu)，從而減少了移動(dòng)部件和制造材料；此外，Vortex取消了機(jī)艙、支撐結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)中成本最高的部分之一——風(fēng)葉。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比，其制造成本大概可減少53%，并且運(yùn)輸、建造和組織的過程也將被簡(jiǎn)化。

Vortex風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)使其機(jī)械部件避免了磨損和摩擦撕裂，因此在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程中不需要更換部件及添加潤滑油，從而可使維護(hù)成本減少80%。但是，這樣同時(shí)會(huì)帶來機(jī)構(gòu)的疲勞問題，風(fēng)會(huì)引起風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生位移，尤其是彈性桿底部需要承受較大的力。不過，Vortex Bladeless公司對(duì)Vortex風(fēng)機(jī)的桿體材料即碳纖維進(jìn)行了研究，結(jié)果表明彈性桿的應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到碳纖維的工作極限，其壽命至少在30年。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比，還有一個(gè)較大的區(qū)別就是Vortex風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)接近地面，從而便于組裝和維護(hù)。

此外，Vortex風(fēng)機(jī)還具有占地小，對(duì)環(huán)境的安全影響較低等優(yōu)勢(shì)。Vortex風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)吹來的方向沒有限制——這和傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)機(jī)相比是一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)。也就是說，如果這種技術(shù)在未來得到更廣泛地使用，任何有風(fēng)的地方都可以安裝發(fā)電機(jī)，不必像現(xiàn)在的風(fēng)電場(chǎng)一樣，需要一年中有持續(xù)的來自某一方向的風(fēng)，才能保證足夠的使用效率和投資回報(bào)。

風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率是一個(gè)較為重要的技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過實(shí)地測(cè)試，Vortex Mini型風(fēng)機(jī)（100W）的風(fēng)能利用效率，較傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)低30%。但無葉片風(fēng)機(jī)Vortex所占的空間相對(duì)較小，并且其成本較低，這些優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)本身風(fēng)能利用效率較低的不足之處。

總的來說，Vortex的優(yōu)勢(shì)還是比劣勢(shì)多。這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)吸引了來自 Harvard University、SunEdison公司的TerraForm 功率可再生能源事業(yè)部Power Inc.和Dat Venture的興趣。

Vortex Bladeless 擬推出的Vortex風(fēng)機(jī)，最大容量為1MW，主要適用于大規(guī)模發(fā)電：大客戶、可再生能源的投資商和電力公司；中小容量的為4kW和100W，主要適用于家用或工業(yè)發(fā)電。Vortex Bladeless給出了其商業(yè)計(jì)劃，該計(jì)劃長(zhǎng)達(dá)48個(gè)月，分為四個(gè)技術(shù)發(fā)展階段，其最終目標(biāo)是1MW發(fā)電機(jī)的預(yù)商用制造。目前已經(jīng)完成了100萬美元的融資，第一款風(fēng)機(jī)Vortex Mini將在一年內(nèi)完成研發(fā)和優(yōu)化，進(jìn)入量產(chǎn)階段。

（作者為中科院博士，新能源創(chuàng)新觀察者。本文部分?jǐn)?shù)據(jù)來自于Vortex Bladeless網(wǎng)頁。）endprint