提起“風力發電機”，你的腦海中是不是立刻浮現出“三葉片白色大風車”？

除了這經典的造型之外，真實的風力機還有著各種魔性的造型。

為(wei) 什麽(me) 是三葉片？

風車作為(wei) 風電機的“鼻祖”，在荷蘭(lan) 發揮了巨大的排水作用，從(cong) 而聞名世界。四葉片荷蘭(lan) 風車的形象也深入人心。

美國西部的多葉片提水風車曾經也廣為(wei) 流行。多支葉片可以使整個(ge) 風輪產(chan) 生較大的功率，提供更充足的動力。

四葉片甚至多葉片風車已經成型，為(wei) 什麽(me) 到風力發電機上，變成了三葉片呢？

葉片數目不會(hui) 直接影響能量利用率，相反，葉片數目過多會(hui) 幹擾空氣流動，降低風能的利用率。風能利用設備最多隻能捕獲風中59.3%的動能，並加以利用。這麽(me) 說來，風力機哪怕隻有一支葉片，也可以產(chan) 生同樣多的電。

不過，單葉片風電機並沒有成為(wei) 主流。單隻葉片會(hui) 使風輪極度不平衡，嚴(yan) 重威脅整個(ge) 風電機組的安全性。想象一下，一大團衣服纏繞在一起甩幹時的樣子……整個(ge) 洗衣機會(hui) 劇烈振動，甚至直接罷工。

對稱的兩(liang) 支葉片可以改善這種受力不平衡的狀況，但依然不夠穩定，在更理想的載荷控製技術出現之前，雙葉片風電機的應用依然會(hui) 受到限製。

三葉片風力機因其最佳的布局形式解決(jue) 了平衡的問題，但“重”也成為(wei) “痛點”之一。單個(ge) 風電葉片重達20噸，三支葉片組成的風輪就超過了60噸，真就是一個(ge) 沉甸甸的大家夥(huo) 。地麵上的基礎一旦存在有質量問題，整個(ge) 機組都有可能傾(qing) 覆倒塌。

有的廠家將風力機“化整為(wei) 零”，使用多支小葉片，變身為(wei) 四頭十二臂。2016年，風電龍頭企業(ye) 維斯塔斯（Vestas）在丹麥技術大學（Technical University of Denmark）安裝了一台有四個(ge) 風輪的風力機，機組在悄無聲息地運轉了兩(liang) 年之後被完全拆除。由於(yu) 機型的稀缺性導致相關(guan) 數據異常寶貴，兩(liang) 家機構至今也幾乎從(cong) 未對外公開過任何數據。

沒葉片，也有電

瘋狂的科學家並不甘心接受平庸的葉片，從(cong) 而提出了“無葉片”方案。傳(chuan) 奇的電學巨匠特斯拉（Nikola Tesla）就曾經申請過一款無葉片渦輪機的專(zhuan) 利，但由於(yu) 缺少合適的製造材料，最終不了了之。

基於(yu) 這個(ge) 思路，人們(men) 研發出了蝸殼外形的無葉片風力機。風推動內(nei) 部的圓盤旋轉，帶動發電機進行發電。然而，這種“小豬佩奇”般的風電機，需要嚴(yan) 格保證各個(ge) 部件加工製造的精度，同時要求風必須對準進風口，這樣苛刻的條件製約了它的發展。

無葉片風力機的原型機 | endalldisease.com

為(wei) 了利用各個(ge) 方向的來風，人們(men) 開發出“倒置大喇叭”造型的無葉片風力機。這個(ge) 在衡水市安裝使用的風力發電機，能夠全方位捕捉風能，並充分利用微風，待氣流進入內(nei) 部後，隨著沿途緩慢收縮的管道，氣流速度被逐漸增大，最後推動位於(yu) 截麵最窄處的發電機進行發電。

除了通過把風“騙”到自身內(nei) 部進行發電，有的企業(ye) 更進一步，回歸到最簡單的柱狀結構，推出了“如意金箍棒”——無葉片渦振器（Vortex Bladeless）。

它利用了“卡門渦街”現象：空氣流過時，會(hui) 產(chan) 生“漩渦”，誘發柱子產(chan) 生往複振動。簡單地說就是柱子搖一搖，電就發出來。但該機型的效率極為(wei) 有限，長期的振動會(hui) 加劇材料的磨損，目前尚不具備商業(ye) 化應用價(jia) 值。

同樣借助“渦旋脫落效應”的，還有另外一款無葉片風力發電機“薩芬尼亞(ya) ”（Saphonian bladeless）。相比“金箍棒”風力機，“薩芬尼亞(ya) ”的頂部安裝了一個(ge) 活動的圓盤和一隻尾舵（豎起來的梯形板）。

未來可期的垂直軸風力機

2016年，冰島國家音樂(le) 中心附近的風電公交車站投入運營，車亭上方奇怪造型的的垂直軸風力機為(wei) 照明和電子產(chan) 品提供電力。這台機組不僅(jin) 能夠適應低風速環境（2米/秒）,在颶風等級（超過50米/秒）的寒風中同樣可以正常工作。

垂直軸風力機的旋轉軸垂直於(yu) 氣流方向，一般也垂直於(yu) 地平麵。傳(chuan) 統的水平軸風力機需要麵朝大風，而垂直軸風力機對任意風向的風都是來者不拒，照單全收。

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

腦洞大開的新型風力機

荷蘭(lan) 建築師設計的“艾維康”（EWICON）是一張靜態的網，矩形的鋼架外網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(chan) 生帶電的水霧，風吹動水霧形成電流，從(cong) 而產(chan) 生電能。

“艾維康”風力機 | WonderfulEngineering

電影《超能陸戰隊》中，高空裏漂浮著很多的汽艇發電機為(wei) 城市供電，其實這一技術在現實生活中已經實現了。高空的平均風速遠遠大於(yu) 地表，並且風速波動更加平穩，多家公司把目光投向了具有巨大潛在價(jia) 值的高空風電，製造出商品化的“汽艇發電機”。

為(wei) 了使整體(ti) 結構更加輕盈，“風箏風力機”應運而生。

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

當今，成熟的三葉片風力機技術已經大規模投入使用，但科學家們(men) 依然在探索著新型發電機。千奇百怪的外形隻是表麵現象，無限接近風能利用極限是風能研究的永恒目標。這些藝術外表下的極致追求，正是科學家的浪漫所在。

參考文獻

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

[2]VortexBladeless官網. 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風電機組景縣廣川動工

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

作者：城明辰

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