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风力发电机必须有叶片?不是!我的世界观被刷新了……

2021-01-15

扑翼风力发电机 | Youtube/ TYER WIND

这只萌萌哒的“小兔子”,居然也能发电?没错!它随风摇动“翅膀”的同时,正在源源不断地输出电力。

提起“风力发电机”,你的脑海中是不是立刻浮现出“三叶片白色大风车”?

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主流的三叶片风力机 | Pixabay

除了这经典的造型之外,真实的风力机还有着各种魔性的造型。

  为什么是三叶片?  

风车作为风电机的“鼻祖”,在荷兰发挥了巨大的排水作用,从而闻名世界。四叶片荷兰风车的形象也深入人心。

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风车 | Pixabay

美国西部的多叶片提水风车曾经也广为流行。多支叶片可以使整个风轮产生较大的功率,提供更充足的动力。

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多叶片风车 | Pixabay

四叶片甚至多叶片风车已经成型,为什么到风力发电机上,变成了三叶片呢?

叶片数目不会直接影响能量利用率,相反,叶片数目过多会干扰空气流动,降低风能的利用率。风能利用设备最多只能捕获风中59.3%的动能,并加以利用。这么说来,风力机哪怕只有一支叶片,也可以产生同样多的电。

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单叶片风力机 | Youtube/Audun

不过,单叶片风电机并没有成为主流。单只叶片会使风轮极度不平衡,严重威胁整个风电机组的安全性。想象一下,一大团衣服缠绕在一起甩干时的样子……整个洗衣机会剧烈振动,甚至直接罢工。

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疯狂甩干的洗衣机 | Giphy

对称的两支叶片可以改善这种受力不平衡的状况,但依然不够稳定,在更理想的载荷控制技术出现之前,双叶片风电机的应用依然会受到限制。

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双叶片风力机示意图 | Youtube/DOB-Academy studio

三叶片风力机因其最佳的布局形式解决了平衡的问题,但“重”也成为“痛点”之一。单个风电叶片重达20吨,三支叶片组成的风轮就超过了60吨,真就是一个沉甸甸的大家伙。地面上的基础一旦存在有质量问题,整个机组都有可能倾覆倒塌。

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倒塌的风力机 | Youtube/ DailyTop20s

有的厂家将风力机“化整为零”,使用多支小叶片,变身为四头十二臂。2016年,风电龙头企业维斯塔斯(Vestas)在丹麦技术大学(Technical University of Denmark)安装了一台有四个风轮的风力机,机组在悄无声息地运转了两年之后被完全拆除。由于机型的稀缺性导致相关数据异常宝贵,两家机构至今也几乎从未对外公开过任何数据。

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四风轮风力机 | Power-Technology

没叶片,也有电

疯狂的科学家并不甘心接受平庸的叶片,从而提出了“无叶片”方案。传奇的电学巨匠特斯拉(Nikola Tesla)就曾经申请过一款无叶片涡轮机的专利,但由于缺少合适的制造材料,最终不了了之。

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特斯拉无叶片涡轮机原理图 | Homeconstructor.de

基于这个思路,人们研发出了蜗壳外形的无叶片风力机。风推动内部的圆盘旋转,带动发电机进行发电。然而,这种“小猪佩奇”般的风电机,需要严格保证各个部件加工制造的精度,同时要求风必须对准进风口,这样苛刻的条件制约了它的发展。

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无叶片风力机的原型机 | endalldisease.com

为了利用各个方向的来风,人们开发出“倒置大喇叭”造型的无叶片风力机。这个在衡水市安装使用的风力发电机,能够全方位捕捉风能,并充分利用微风,待气流进入内部后,随着沿途缓慢收缩的管道,气流速度被逐渐增大,最后推动位于截面最窄处的发电机进行发电。

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蓝色线表示空气流速低,红色线表示空气流速高 | Powermag

除了通过把风“骗”到自身内部进行发电,有的企业更进一步,回归到最简单的柱状结构,推出了“如意金箍棒”——无叶片涡振器(Vortex Bladeless)。

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无叶片涡振器 | Vortexbladeless

它利用了“卡门涡街”现象:空气流过时,会产生“漩涡”,诱发柱子产生往复振动。简单地说就是柱子摇一摇,电就发出来。但该机型的效率极为有限,长期的振动会加剧材料的磨损,目前尚不具备商业化应用价值。

无叶片涡振器原理 | Vortexbladeless

同样借助“涡旋脱落效应”的,还有另外一款无叶片风力发电机“萨芬尼亚”(Saphonian bladeless)。相比“金箍棒”风力机,“萨芬尼亚”的顶部安装了一个活动的圆盘和一只尾舵(竖起来的梯形板)。

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“萨芬尼亚” | endalldisease.com

未来可期的垂直轴风力机

2016年,冰岛国家音乐中心附近的风电公交车站投入运营,车亭上方奇怪造型的的垂直轴风力机为照明和电子产品提供电力。这台机组不仅能够适应低风速环境(2米/秒),在飓风等级(超过50米/秒)的寒风中同样可以正常工作。

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冰岛垂直轴风力机 | Designboom

垂直轴风力机的旋转轴垂直于气流方向,一般也垂直于地平面。传统的水平轴风力机需要面朝大风,而垂直轴风力机对任意风向的风都是来者不拒,照单全收。

垂直轴发电机的结构承载力也大大增强,从而可以应对更强的风级。这些特性使得垂轴发电机在广袤的海洋焕发生机。

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漂浮式V形垂直轴风力机 | theguardian.com

脑洞大开的新型风力机

荷兰建筑师设计的“艾维康”(EWICON)是一张静态的网,矩形的钢架外网中放置有多根水平的绝缘管,每根绝缘管上密集排布着喷嘴,通过电极产生带电的水雾,风吹动水雾形成电流,从而产生电能。

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“艾维康”风力机 | WonderfulEngineering

电影《超能陆战队》中,高空里漂浮着很多的汽艇发电机为城市供电,其实这一技术在现实生活中已经实现了。高空的平均风速远远大于地表,并且风速波动更加平稳,多家公司把目光投向了具有巨大潜在价值的高空风电,制造出商品化的“汽艇发电机”。

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《超能陆战队》中空中风力机 | 影片截图

现实中的高空发电机 | everythinginflatables

为了使整体结构更加轻盈,“风筝风力机”应运而生。

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高空风筝风力发电机 | Hazebird

虽然这些“脑洞大开”的风电机看似美好,但如何高效、稳定地传输电力依然是个大问题,阻碍了更大规模的应用。

当今,成熟的三叶片风力机技术已经大规模投入使用,但科学家们依然在探索着新型发电机。千奇百怪的外形只是表面现象,无限接近风能利用极限是风能研究的永恒目标。这些艺术外表下的极致追求,正是科学家的浪漫所在。

参考文献

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

[2]VortexBladeless官网. 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风电机组景县广川动工

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

作者:城明辰

编辑:麦麦、Luna、Owl

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