風力發(fā)電機：我被玩“壞”了

劉國偉

開發(fā)可再生而又清潔的風能受到全球普遍重視。在人們的印象中，風力發(fā)電機就是由一根柱子、3扇葉片組成，殊不知世界各地的發(fā)明家紛紛大開腦洞，已開發(fā)出一系列匠心獨具、顛覆傳統(tǒng)的風力發(fā)電機造型，令人耳目一新。

當下主流風電機短板多

目前，主流的風力發(fā)電機在結構上高度同質化，這可以視為技術和市場之間長期以來達成的默契，但其設計遠非完美。除了外形龐大笨重，運行維護成本高等固有短板外，業(yè)界公認它們還有以下一些不足。

其一是噪聲。不是所有風電場都建在人跡罕至的偏遠地區(qū)，風機葉片掃掠空氣形成的噪聲，是風電場對周邊人居環(huán)境的最大不利影響之一，許多人長期被風力發(fā)電機的低頻噪聲所折磨。

其二是撞鳥。三扇葉片的風力發(fā)電機的外觀簡潔大方，從遠處看雖有一種獨特的美感，但對翱翔空中的鳥兒來說卻暗含殺機，被擊中的鳥類下場可謂慘烈。僅澳大利亞的麥克阿瑟風電場，每年被風電機殺死的鳥兒達1500只，其中1/3是珍稀猛禽。

其三是怕強風。對風機葉片來說，并非風越大越好，極端天氣下的強風經(jīng)常會造成風機受損甚至倒塌。

最后是無法突破的能量轉換極限。早在1919年，德國物理學家阿爾伯特·貝茲通過研究提出了風電學科中的著名理論“貝茲極限”。該理論證明在理想情況下，常規(guī)風力發(fā)電機風能轉換成電能的極限比值為16/27（約為59.3%），不到六成。

上述問題讓業(yè)界設計人員夙夜難寐，于是多年來各方不斷將自己的奇思妙想付諸行動，發(fā)明了造型各異的風電機。

新型無葉片風電機產(chǎn)電高

風在物體表面流動后會在尾端形成一股渦流，這種渦流會對物體本身施加一種力，這就是著名的“渦旋脫落效應”。這個名詞使橋梁工程師聞之色變，因為這是造橋工程中極力避免的有害效應。但是，突尼斯的薩芬能源公司研發(fā)的無葉片風力發(fā)電機“薩芬尼亞”，正是借助“渦旋脫落效應”引起物體擺動產(chǎn)生的能量來發(fā)電。

“薩芬尼亞”取自對古代迦太基（位于今天突尼斯一帶的古國）人所膜拜的風神。從結構上看，“薩芬尼亞”部件只有一根固定的桅桿、一臺發(fā)電機和玻璃纖維圓盤，占地很小。圓盤借助“渦旋脫落效應”迎風扭動的時候，會把風能通過活塞傳遞到后面的水力儲壓器中，然后帶動渦輪發(fā)電機運轉發(fā)電。沒有巨大的旋轉葉片，鳥類生命可保無虞;因為噪聲要低得多，所以風電場的選址也就相對不受限制。

“薩芬尼亞”沒有需要潤滑的齒輪和變速箱等部件，所以整個系統(tǒng)的維護保養(yǎng)工作量也少。薩芬能源公司的設計人員稱，該風力發(fā)電機最突出的優(yōu)勢是能量轉化率高達80%，對比常規(guī)風電機組30%～40%的能量轉化率，這無疑是個驚人的數(shù)字。

薩芬能源一邊進行實地測試和改進，一邊在全球70多個國家注冊了專利，其標新立異的設計吸引了關注零排放的微軟公司等技術巨頭的興趣。有專家認為，“薩芬尼亞”系統(tǒng)在印度等基礎設施落后、能源不足的國家，不失為一種經(jīng)濟可行的替代選擇。

靠瘦取勝的“風柱”

還有一種風力發(fā)電機外形要更激進，不僅沒有葉片，主體結構簡約到只剩下一根柱子。這種綽號被稱為“風柱”的產(chǎn)品，出自西班牙初創(chuàng)公司VB之手，也是利用“渦旋脫落效應”來發(fā)電。

“風柱”由玻璃纖維和碳纖維復合材料組成，可以在風中自由振動。柱子底部有兩塊彼此排斥的磁鐵，當柱體朝一個方向晃動時，排斥磁鐵會將其推向反方向，如此往復不休產(chǎn)生的動能通過交流發(fā)電機就轉換成了電能。在這個過程中，系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲幾乎可以忽略不計，過往的鳥類也無性命之憂。簡潔的結構也使得“風柱”系統(tǒng)的制造和維護成本較少。VB公司介紹，該系統(tǒng)的維護成本要比傳統(tǒng)風力渦輪機低80%，制造成本低53%，這就直接壓低了發(fā)電成本。

就“風柱”原型的現(xiàn)場測試來看，單個系統(tǒng)的發(fā)電量比常規(guī)風力發(fā)電機低30%。但是“風柱”系統(tǒng)勝在裝機密度而非單體發(fā)電能力，它占地面積小的優(yōu)勢會彌補這個不足，在安裝常規(guī)風電機組的風電場里能夠安裝密度更高的“風柱”，以提供更多的電能。

VB公司自公布“風柱”的設計思路后遇到不少挑戰(zhàn)。為解決資金問題，該公司四處“化緣”，有眾籌也有天使投資，令人樂觀的是歐盟通過“地平線2020”計劃為其提供了額外的財政支持。所謂“地平線2020”是一項歐盟撥款（預算為800億歐元）計劃，它對具有潛在社會、經(jīng)濟和環(huán)境效益的發(fā)明進行贊助。

VB公司將產(chǎn)品試點選擇在印度農村地區(qū)，計劃在今年晚些時候開展。之所以選在印度農村，是因為“風柱”在太陽下山后能夠接力當?shù)匕惭b的光伏發(fā)電裝置發(fā)電，沒有了太陽還有風，讓電源供應不斷流。VB公司公布資料稱，目前一個2.75米高的“風柱”產(chǎn)品售價約為250美元，供電功率為100瓦。公司的長遠目標是進一步降低發(fā)電成本。

用捕風網(wǎng)發(fā)電周圍可住人

前面所說的風電系統(tǒng)還有明顯的運動部件，荷蘭梅卡諾建筑公司和代爾夫特理工大學研究人員設計的“艾維康”（EWICON），則只用一張靜態(tài)的網(wǎng)來實現(xiàn)風能發(fā)電?！癊WICON”是靜電風能轉換器的縮寫。

“艾維康”的外觀主體是一個巨大的鋼架，架子里放置了一系列呈水平分布的絕緣管。每根絕緣管都包含幾個電極和噴嘴，通過二者結合可以產(chǎn)生帶電粒子;隨著粒子被風吹動，“艾維康”的電壓隨之改變，周圍就會形成電場，產(chǎn)生電能。由于沒有葉片也沒有可動部件，“艾維康”的日常維護量和產(chǎn)生的噪聲都很少。

目前，“艾維康”系統(tǒng)在荷蘭有兩套投入運行，一套在鹿特丹一座城市建筑的樓頂（含兩個子系統(tǒng)），還有一套安裝在代爾夫特理工大學的校園內。從長遠看，“艾維康”有望在名為“荷蘭風輪”的大項目中唱主角。根據(jù)2015年荷蘭方面發(fā)布的消息，鹿特丹政府準備在2020～2025年間完成“荷蘭風輪”建筑項目，該項目總建筑面積6萬多平方米，耗資2.5億至5億歐元。該建筑外形上非常像“倫敦眼”摩天輪，周圍一圈環(huán)形結構中可以住人，中間大片的環(huán)形區(qū)域則用來安裝“艾維康”風力發(fā)電系統(tǒng)。

垂直軸風電機靈感來自風速表

隨處可見的風速表則給了冰島初創(chuàng)公司“冰風”以設計靈感。該公司于2009年使用玻璃纖維制造出了第一臺垂直軸風機后，在測試過程中發(fā)現(xiàn)這種風力發(fā)電機能夠很好地適應低風速環(huán)境。后來，該公司的設計團隊開始使用不銹鋼和鋁合金等制造垂直軸風機，推出了實用的1千瓦功率的風力發(fā)電機。

冰風公司的發(fā)動機軸承不同于常規(guī)的水平軸風電機組，是垂直放置的。鋒利的富有工業(yè)美感的葉片正對著天空繞著垂直軸旋轉，能夠適應的風速范圍很寬，甚至在冰島冬天高達180公里時速的寒風中工作。該設備的葉片不同于常規(guī)風機的葉片，設備運行過程中發(fā)出的聲音不到35分貝，可安裝在住宅和農場中，甚至在公共汽車站頂部安裝。

由于冰風公司得到了歐盟和冰島當?shù)亟鹑跈C構的資助，其垂直軸風力發(fā)電機得以持續(xù)研發(fā)并投入了應用。2016年，該公司設計的第一個風電公交車站在雷克雅未克國家音樂中心附近投入運營，為車站照明、無線網(wǎng)絡和小型電子產(chǎn)品的充電設備提供了電力。

日本設計師要借臺風發(fā)電

島國日本是臺風頻發(fā)之地，當?shù)仫L電企業(yè)在每年臺風季節(jié)到來時都如臨大敵。盡管風力發(fā)電機在臺風肆虐時需停轉，葉片保持風阻最小姿態(tài)，但是風車受損的事情仍時有發(fā)生，實際上這也是很多沿海風電場經(jīng)常面對的難題。此外，2011年福島核事故之后，日本為彌補電力缺口甚至重啟煤電廠來解決電力緊缺問題。這種現(xiàn)實狀況給了日本工程師清水淳司以機遇，他考慮利用臺風來解決能源貧乏的問題。

清水淳司認為，強勁的臺風可以被利用來發(fā)電。2013年，他為自己的創(chuàng)意申請了第一項專利，開發(fā)了一款形似打蛋器的風力發(fā)電機。機器主體由3個獨立的垂直圓柱體圍繞一根垂直軸構成，非常緊湊。實際上3個圓柱體起到了葉片的作用，能夠捕捉來自各個方向的風，始終旋轉自如，而不像常規(guī)風力發(fā)電機受限于單一風向，同時避免了噪聲和撞鳥兩大難題。如果風暴過猛，工程人員可通過收緊中心桿的方式調整旋轉速度，確保風機不會在風暴中失控和損壞。測試表明，這種類型的風力發(fā)電機效率比常規(guī)風力發(fā)電機稍低，但是能頂住臺風壓力，而且在臺風中繼續(xù)發(fā)電。

清水淳司還得到了日本新能源產(chǎn)業(yè)技術綜合開發(fā)機構（NEDO）的資助，這是一個支持企業(yè)家的政府組織。目前，一臺一千瓦功率的臺風風力發(fā)電機安裝在了沖繩南城，并進行現(xiàn)場測試。但清水淳司不滿足于此，他認為臺風更為猛烈的菲律賓群島才是他的風力發(fā)電機一展身手的最佳戰(zhàn)場。

微風發(fā)電系統(tǒng)落戶河北

乍一看，美國明尼蘇達州謝爾溫公司開發(fā)的Invelox微風發(fā)電系統(tǒng)猶如一個倒置的大喇叭，最大特點是時速只有l(wèi)到2英里（合1.6到3 2公里）的微風也能被利用來發(fā)電。從結構上看，這套微風發(fā)電系統(tǒng)的頂端有數(shù)個集風口，能全方位捕捉流動的空氣。氣流穿過集風口后進入系統(tǒng)內部，沿途的管道越來越窄，由此產(chǎn)生了“文丘里效應”（當流體流經(jīng)管道時，管道空間如果突然變窄，會導致流體流速增大的效應），將氣流加速，繼而推動內部的風力渦輪機發(fā)電，最后底部的擴散器把利用后的氣流排出系統(tǒng)。

2016年6月，該微風發(fā)電系統(tǒng)被中國引進后，在河北衡水市景縣廣川鎮(zhèn)衡水中城農業(yè)科技園開工建設。河北引進的這套風力發(fā)電系統(tǒng)包括1臺單機容量2 2兆瓦的微風發(fā)電機組，總投資額為1021萬元，旨在解決風力發(fā)電和農業(yè)爭土地資源的問題，使風力發(fā)電與農業(yè)生產(chǎn)有機結合了起來?！吨袊茉磮蟆贩Q該項目年度發(fā)電收入可達470萬元，預計每年可創(chuàng)造利稅合計296萬元，年收益率達到23.88%以上，減排效果顯著。同年9月28日，該套微風發(fā)電項目鋼結構順利封頂。

不過，今年1月美國謝爾溫公司正式宣布破產(chǎn)。該公司掌握的微風發(fā)電相關的知識產(chǎn)權也在互聯(lián)網(wǎng)上公開拍賣，參與投標者遞交標書的最后期限為今年7月19日。至于河北景縣廣川鎮(zhèn)的微風發(fā)電系統(tǒng)的運營狀況，尚不得而知。

以上各種產(chǎn)品只是近些年來引入關注的一部分風力發(fā)電機。這些產(chǎn)品在設計研發(fā)、市場接受、資本支持和推廣應用等方面難免遇到這樣那樣的困難和問題，甚至會功敗垂成，但下一個革命性的設計也許就在其中。