劉國偉

開發(fā)可再生而又清潔的風(fēng)能受到全球普遍重視。在人們的印象中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(dú)具、顛覆傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)造型，令人耳目一新。

當(dāng)下主流風(fēng)電機(jī)短板多

目前，主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上高度同質(zhì)化，這可以視為技術(shù)和市場之間長期以來達(dá)成的默契，但其設(shè)計(jì)遠(yuǎn)非完美。除了外形龐大笨重，運(yùn)行維護(hù)成本高等固有短板外，業(yè)界公認(rèn)它們還有以下一些不足。

其一是噪聲。不是所有風(fēng)電場都建在人跡罕至的偏遠(yuǎn)地區(qū)，風(fēng)機(jī)葉片掃掠空氣形成的噪聲，是風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的低頻噪聲所折磨。

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

其三是怕強(qiáng)風(fēng)。對風(fēng)機(jī)葉片來說，并非風(fēng)越大越好，極端天氣下的強(qiáng)風(fēng)經(jīng)常會(huì)造成風(fēng)機(jī)受損甚至倒塌。

最后是無法突破的能量轉(zhuǎn)換極限。早在1919年，德國物理學(xué)家阿爾伯特·貝茲通過研究提出了風(fēng)電學(xué)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(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)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(dòng)，發(fā)明了造型各異的風(fēng)電機(jī)。

新型無葉片風(fēng)電機(jī)產(chǎn)電高

風(fēng)在物體表面流動(dòng)后會(huì)在尾端形成一股渦流，這種渦流會(huì)對物體本身施加一種力，這就是著名的“渦旋脫落效應(yīng)”。這個(gè)名詞使橋梁工程師聞之色變，因?yàn)檫@是造橋工程中極力避免的有害效應(yīng)。但是，突尼斯的薩芬能源公司研發(fā)的無葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)“薩芬尼亞”，正是借助“渦旋脫落效應(yīng)”引起物體擺動(dòng)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(fēng)神。從結(jié)構(gòu)上看，“薩芬尼亞”部件只有一根固定的桅桿、一臺(tái)發(fā)電機(jī)和玻璃纖維圓盤，占地很小。圓盤借助“渦旋脫落效應(yīng)”迎風(fēng)扭動(dòng)的時(shí)候，會(huì)把風(fēng)能通過活塞傳遞到后面的水力儲(chǔ)壓器中，然后帶動(dòng)渦輪發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。沒有巨大的旋轉(zhuǎn)葉片，鳥類生命可保無虞;因?yàn)樵肼曇偷枚啵燥L(fēng)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(gè)系統(tǒng)的維護(hù)保養(yǎng)工作量也少。薩芬能源公司的設(shè)計(jì)人員稱，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)最突出的優(yōu)勢是能量轉(zhuǎn)化率高達(dá)80%，對比常規(guī)風(fēng)電機(jī)組30%～40%的能量轉(zhuǎn)化率，這無疑是個(gè)驚人的數(shù)字。

薩芬能源一邊進(jìn)行實(shí)地測試和改進(jìn)，一邊在全球70多個(gè)國家注冊了專利，其標(biāo)新立異的設(shè)計(jì)吸引了關(guān)注零排放的微軟公司等技術(shù)巨頭的興趣。有專家認(rèn)為，“薩芬尼亞”系統(tǒng)在印度等基礎(chǔ)設(shè)施落后、能源不足的國家，不失為一種經(jīng)濟(jì)可行的替代選擇。

靠瘦取勝的“風(fēng)柱”

還有一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)外形要更激進(jìn)，不僅沒有葉片，主體結(jié)構(gòu)簡約到只剩下一根柱子。這種綽號(hào)被稱為“風(fēng)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(yīng)”來發(fā)電。

“風(fēng)柱”由玻璃纖維和碳纖維復(fù)合材料組成，可以在風(fēng)中自由振動(dòng)。柱子底部有兩塊彼此排斥的磁鐵，當(dāng)柱體朝一個(gè)方向晃動(dòng)時(shí)，排斥磁鐵會(huì)將其推向反方向，如此往復(fù)不休產(chǎn)生的動(dòng)能通過交流發(fā)電機(jī)就轉(zhuǎn)換成了電能。在這個(gè)過程中，系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲幾乎可以忽略不計(jì)，過往的鳥類也無性命之憂。簡潔的結(jié)構(gòu)也使得“風(fēng)柱”系統(tǒng)的制造和維護(hù)成本較少。VB公司介紹，該系統(tǒng)的維護(hù)成本要比傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)低80%，制造成本低53%，這就直接壓低了發(fā)電成本。

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

VB公司自公布“風(fēng)柱”的設(shè)計(jì)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(jì)劃為其提供了額外的財(cái)政支持。所謂“地平線2020”是一項(xiàng)歐盟撥款（預(yù)算為800億歐元）計(jì)劃，它對具有潛在社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益的發(fā)明進(jìn)行贊助。

VB公司將產(chǎn)品試點(diǎn)選擇在印度農(nóng)村地區(qū)，計(jì)劃在今年晚些時(shí)候開展。之所以選在印度農(nóng)村，是因?yàn)椤帮L(fēng)柱”在太陽下山后能夠接力當(dāng)?shù)匕惭b的光伏發(fā)電裝置發(fā)電，沒有了太陽還有風(fēng)，讓電源供應(yīng)不斷流。VB公司公布資料稱，目前一個(gè)2.75米高的“風(fēng)柱”產(chǎn)品售價(jià)約為250美元，供電功率為100瓦。公司的長遠(yuǎn)目標(biāo)是進(jìn)一步降低發(fā)電成本。

用捕風(fēng)網(wǎng)發(fā)電周圍可住人

前面所說的風(fēng)電系統(tǒng)還有明顯的運(yùn)動(dòng)部件，荷蘭梅卡諾建筑公司和代爾夫特理工大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的“艾維康”（EWICON），則只用一張靜態(tài)的網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)風(fēng)能發(fā)電?！癊WICON”是靜電風(fēng)能轉(zhuǎn)換器的縮寫。

“艾維康”的外觀主體是一個(gè)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(gè)電極和噴嘴，通過二者結(jié)合可以產(chǎn)生帶電粒子;隨著粒子被風(fēng)吹動(dòng)，“艾維康”的電壓隨之改變，周圍就會(huì)形成電場，產(chǎn)生電能。由于沒有葉片也沒有可動(dòng)部件，“艾維康”的日常維護(hù)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(yùn)行，一套在鹿特丹一座城市建筑的樓頂（含兩個(gè)子系統(tǒng)），還有一套安裝在代爾夫特理工大學(xué)的校園內(nèi)。從長遠(yuǎn)看，“艾維康”有望在名為“荷蘭風(fēng)輪”的大項(xiàng)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(zhǔn)備在2020～2025年間完成“荷蘭風(fēng)輪”建筑項(xiàng)目，該項(xiàng)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(jié)構(gòu)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

垂直軸風(fēng)電機(jī)靈感來自風(fēng)速表

隨處可見的風(fēng)速表則給了冰島初創(chuàng)公司“冰風(fēng)”以設(shè)計(jì)靈感。該公司于2009年使用玻璃纖維制造出了第一臺(tái)垂直軸風(fēng)機(jī)后，在測試過程中發(fā)現(xiàn)這種風(fēng)力發(fā)電機(jī)能夠很好地適應(yīng)低風(fēng)速環(huán)境。后來，該公司的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)開始使用不銹鋼和鋁合金等制造垂直軸風(fēng)機(jī)，推出了實(shí)用的1千瓦功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

冰風(fēng)公司的發(fā)動(dòng)機(jī)軸承不同于常規(guī)的水平軸風(fēng)電機(jī)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(zhuǎn)，能夠適應(yīng)的風(fēng)速范圍很寬，甚至在冰島冬天高達(dá)180公里時(shí)速的寒風(fēng)中工作。該設(shè)備的葉片不同于常規(guī)風(fēng)機(jī)的葉片，設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)出的聲音不到35分貝，可安裝在住宅和農(nóng)場中，甚至在公共汽車站頂部安裝。

由于冰風(fēng)公司得到了歐盟和冰島當(dāng)?shù)亟鹑跈C(jī)構(gòu)的資助，其垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)得以持續(xù)研發(fā)并投入了應(yīng)用。2016年，該公司設(shè)計(jì)的第一個(gè)風(fēng)電公交車站在雷克雅未克國家音樂中心附近投入運(yùn)營，為車站照明、無線網(wǎng)絡(luò)和小型電子產(chǎn)品的充電設(shè)備提供了電力。

日本設(shè)計(jì)師要借臺(tái)風(fēng)發(fā)電

島國日本是臺(tái)風(fēng)頻發(fā)之地，當(dāng)?shù)仫L(fēng)電企業(yè)在每年臺(tái)風(fēng)季節(jié)到來時(shí)都如臨大敵。盡管風(fēng)力發(fā)電機(jī)在臺(tái)風(fēng)肆虐時(shí)需停轉(zhuǎn)，葉片保持風(fēng)阻最小姿態(tài)，但是風(fēng)車受損的事情仍時(shí)有發(fā)生，實(shí)際上這也是很多沿海風(fēng)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(bǔ)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(shí)狀況給了日本工程師清水淳司以機(jī)遇，他考慮利用臺(tái)風(fēng)來解決能源貧乏的問題。

清水淳司認(rèn)為，強(qiáng)勁的臺(tái)風(fēng)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(xiàng)專利，開發(fā)了一款形似打蛋器的風(fēng)力發(fā)電機(jī)。機(jī)器主體由3個(gè)獨(dú)立的垂直圓柱體圍繞一根垂直軸構(gòu)成，非常緊湊。實(shí)際上3個(gè)圓柱體起到了葉片的作用，能夠捕捉來自各個(gè)方向的風(fēng)，始終旋轉(zhuǎn)自如，而不像常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)受限于單一風(fēng)向，同時(shí)避免了噪聲和撞鳥兩大難題。如果風(fēng)暴過猛，工程人員可通過收緊中心桿的方式調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度，確保風(fēng)機(jī)不會(huì)在風(fēng)暴中失控和損壞。測試表明，這種類型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)效率比常規(guī)風(fēng)力發(fā)電機(jī)稍低，但是能頂住臺(tái)風(fēng)壓力，而且在臺(tái)風(fēng)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(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）的資助，這是一個(gè)支持企業(yè)家的政府組織。目前，一臺(tái)一千瓦功率的臺(tái)風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在了沖繩南城，并進(jìn)行現(xiàn)場測試。但清水淳司不滿足于此，他認(rèn)為臺(tái)風(fēng)更為猛烈的菲律賓群島才是他的風(fēng)力發(fā)電機(jī)一展身手的最佳戰(zhàn)場。

微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)落戶河北

乍一看，美國明尼蘇達(dá)州謝爾溫公司開發(fā)的Invelox微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)猶如一個(gè)倒置的大喇叭，最大特點(diǎn)是時(shí)速只有l(wèi)到2英里（合1.6到3 2公里）的微風(fēng)也能被利用來發(fā)電。從結(jié)構(gòu)上看，這套微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的頂端有數(shù)個(gè)集風(fēng)口，能全方位捕捉流動(dòng)的空氣。氣流穿過集風(fēng)口后進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)部，沿途的管道越來越窄，由此產(chǎn)生了“文丘里效應(yīng)”（當(dāng)流體流經(jīng)管道時(shí)，管道空間如果突然變窄，會(huì)導(dǎo)致流體流速增大的效應(yīng)），將氣流加速，繼而推動(dòng)內(nèi)部的風(fēng)力渦輪機(jī)發(fā)電，最后底部的擴(kuò)散器把利用后的氣流排出系統(tǒng)。

2016年6月，該微風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)被中國引進(jìn)后，在河北衡水市景縣廣川鎮(zhèn)衡水中城農(nóng)業(yè)科技園開工建設(shè)。河北引進(jìn)的這套風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)包括1臺(tái)單機(jī)容量2 2兆瓦的微風(fēng)發(fā)電機(jī)組，總投資額為1021萬元，旨在解決風(fēng)力發(fā)電和農(nóng)業(yè)爭土地資源的問題，使風(fēng)力發(fā)電與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)結(jié)合了起來?！吨袊茉磮?bào)》稱該項(xiàng)目年度發(fā)電收入可達(dá)470萬元，預(yù)計(jì)每年可創(chuàng)造利稅合計(jì)296萬元，年收益率達(dá)到23.88%以上，減排效果顯著。同年9月28日，該套微風(fēng)發(fā)電項(xiàng)目鋼結(jié)構(gòu)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(fēng)發(fā)電相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)也在互聯(lián)網(wǎng)上公開拍賣，參與投標(biāo)者遞交標(biāo)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(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)營狀況，尚不得而知。

以上各種產(chǎn)品只是近些年來引入關(guān)注的一部分風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這些產(chǎn)品在設(shè)計(jì)研發(fā)、市場接受、資本支持和推廣應(yīng)用等方面難免遇到這樣那樣的困難和問題，甚至?xí)〈钩?，但下一個(gè)革命性的設(shè)計(jì)也許就在其中。