風(fēng)力發(fā)電機必須有葉片？不是！我的世界觀被刷新了……

twq19810302 · 發(fā)表于 2022-10-10 09:48:07

本帖最后由 twq19810302 于 2022-10-10 09:50 編輯

撲翼風(fēng)力發(fā)電機 | Youtube/ TYER WIND

這只萌萌噠的“小兔子”，居然也能發(fā)電？沒錯！它隨風(fēng)搖動“翅膀”的同時，正在源源不斷地輸出電力。

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

主流的三葉片風(fēng)力機 | Pixabay

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

為什么是三葉片？

風(fēng)車作為風(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)車的形象也深入人心。

美國西部的多葉片提水風(fēng)車曾經(jīng)也廣為流行。多支葉片可以使整個風(fēng)輪產(chǎn)生較大的功率，提供更充足的動力。

多葉片風(fēng)車 | Pixabay

四葉片甚至多葉片風(fēng)車已經(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(shù)目不會直接影響能量利用率，相反，葉片數(shù)目過多會干擾空氣流動，降低風(fēng)能的利用率。風(fēng)能利用設(shè)備最多只能捕獲風(fēng)中59.3%的動能，并加以利用。這么說來，風(fēng)力機哪怕只有一支葉片，也可以產(chǎn)生同樣多的電。

單葉片風(fēng)力機 | Youtube/Audun

不過，單葉片風(fēng)電機并沒有成為主流。單只葉片會使風(fēng)輪極度不平衡，嚴(yán)重威脅整個風(fēng)電機組的安全性。想象一下，一大團(tuán)衣服纏繞在一起甩干時的樣子……整個洗衣機會劇烈振動，甚至直接罷工。

對稱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(wěn)定，在更理想的載荷控制技術(shù)出現(xiàn)之前，雙葉片風(fēng)電機的應(yīng)用依然會受到限制。

雙葉片風(fēng)力機示意圖 | Youtube/DOB-Academy studio

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

倒塌的風(fēng)力機 | Youtube/ DailyTop20s

有的廠家將風(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）安裝了一臺有四個風(fēng)輪的風(fēng)力機，機組在悄無聲息地運轉(zhuǎn)了兩年之后被完全拆除。由于機型的稀缺性導(dǎo)致相關(guān)數(shù)據(jù)異常寶貴，兩家機構(gòu)至今也幾乎從未對外公開過任何數(shù)據(jù)。

四風(fēng)輪風(fēng)力機 | Power-Technology

沒葉片，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“無葉片”方案。傳奇的電學(xué)巨匠特斯拉（Nikola Tesla）就曾經(jīng)申請過一款無葉片渦輪機的專利，但由于缺少合適的制造材料，最終不了了之。

特斯拉無葉片渦輪機原理圖 | Homeconstructor.de

基于這個思路，人們研發(fā)出了蝸殼外形的無葉片風(fēng)力機。風(fēng)推動內(nèi)部的圓盤旋轉(zhuǎn)，帶動發(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(yán)格保證各個部件加工制造的精度，同時要求風(fēng)必須對準(zhǔn)進(jìn)風(fēng)口，這樣苛刻的條件制約了它的發(fā)展。

無葉片風(fēng)力機的原型機 | endalldisease.com

為了利用各個方向的來風(fēng)，人們開發(fā)出“倒置大喇叭”造型的無葉片風(fēng)力機。這個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(nèi)部后，隨著沿途緩慢收縮的管道，氣流速度被逐漸增大，最后推動位于截面最窄處的發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電。

藍(lán)色線表示空氣流速低，紅色線表示空氣流速高 | Powermag

除了通過把風(fēng)“騙”到自身內(nèi)部進(jìn)行發(fā)電，有的企業(yè)更進(jìn)一步，回歸到最簡單的柱狀結(jié)構(gòu)，推出了“如意金箍棒”——無葉片渦振器（Vortex Bladeless）。

無葉片渦振器 | Vortexbladeless

它利用了“卡門渦街”現(xiàn)象：空氣流過時，會產(chǎn)生“漩渦”，誘發(fā)柱子產(chǎn)生往復(fù)振動。簡單地說就是柱子搖一搖，電就發(fā)出來。但該機型的效率極為有限，長期的振動會加劇材料的磨損，目前尚不具備商業(yè)化應(yīng)用價值。

無葉片渦振器原理 | Vortexbladeless

同樣借助“渦旋脫落效應(yīng)”的，還有另外一款無葉片風(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”的頂部安裝了一個活動的圓盤和一只尾舵（豎起來的梯形板）。

“薩芬尼亞” | endalldisease.com

未來可期的垂直軸風(fēng)力機

2016年，冰島國家音樂中心附近的風(fēng)電公交車站投入運營，車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(yīng)低風(fēng)速環(huán)境（2米/秒）,在颶風(fēng)等級（超過50米/秒）的寒風(fēng)中同樣可以正常工作。

冰島垂直軸風(fēng)力機 | Designboom

垂直軸風(fēng)力機的旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣流方向，一般也垂直于地平面。傳統(tǒng)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)都是來者不拒，照單全收。

垂直軸發(fā)電機的結(jié)構(gòu)承載力也大大增強，從而可以應(yīng)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。

漂浮式V形垂直軸風(fēng)力機 | theguardian.com

腦洞大開的新型風(fēng)力機

荷蘭建筑師設(shè)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噴嘴，通過電極產(chǎn)生帶電的水霧，風(fēng)吹動水霧形成電流，從而產(chǎn)生電能。

“艾維康”風(fēng)力機 | WonderfulEngineering

電影《超能陸戰(zhàn)隊》中，高空里漂浮著很多的汽艇發(fā)電機為城市供電，其實這一技術(shù)在現(xiàn)實生活中已經(jīng)實現(xiàn)了。高空的平均風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地表，并且風(fēng)速波動更加平穩(wěn)，多家公司把目光投向了具有巨大潛在價值的高空風(fēng)電，制造出商品化的“汽艇發(fā)電機”。

《超能陸戰(zhàn)隊》中空中風(fēng)力機 | 影片截圖

現(xiàn)實中的高空發(fā)電機 | everythinginflatables

為了使整體結(jié)構(gòu)更加輕盈，“風(fēng)箏風(fēng)力機”應(yīng)運而生。

高空風(fēng)箏風(fēng)力發(fā)電機 | Hazebird

雖然這些“腦洞大開”的風(fēng)電機看似美好，但如何高效、穩(wěn)定地傳輸電力依然是個大問題，阻礙了更大規(guī)模的應(yīng)用。

當(dāng)今，成熟的三葉片風(fēng)力機技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模投入使用，但科學(xué)家們依然在探索著新型發(fā)電機。千奇百怪的外形只是表面現(xiàn)象，無限接近風(fēng)能利用極限是風(fēng)能研究的永恒目標(biāo)。這些藝術(shù)外表下的極致追求，正是科學(xué)家的浪漫所在。