沒有葉片的風(fēng)機

屈魯

無葉片風(fēng)機Vortex利用“卡門渦街”原理來進行風(fēng)力發(fā)電，這是風(fēng)能的一個技術(shù)飛躍，將以更有效、更便宜、更具環(huán)境友好的方式來產(chǎn)生能量。

隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題越來越嚴峻，這使得可再生能源迅速發(fā)展起來。風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風(fēng)能約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2014年中國全部發(fā)電設(shè)備容量為1360GW，其中并網(wǎng)風(fēng)電的容量達到了95.8GW，也就是說，風(fēng)電在中國發(fā)電總量當(dāng)中占據(jù)大約7%的份額。

一般情況下，我們所看見的風(fēng)力發(fā)電機都是水平軸扇葉風(fēng)機，他們有著很大的風(fēng)機葉片，以此來吸收風(fēng)能并發(fā)電。然而，這樣的風(fēng)電機有一些弊端。一個風(fēng)電場的眾多風(fēng)機之間的排列需要較大的安全距離，也就是說一塊固定大小的地面上能夠安裝的風(fēng)電機數(shù)量是有限的；另外，扇葉的旋轉(zhuǎn)也對鳥類帶來了危險。

想象一下，一個沒有葉片的風(fēng)機會是什么樣子？它需要更少的材料，成本更低，噪聲更小，對環(huán)境友好度更好……就在今年，西班牙公司Vortex Bladeless開發(fā)了一款酷炫的沒有葉片的風(fēng)機——Vortex。無葉片風(fēng)機Vortex是利用結(jié)構(gòu)的振蕩捕獲風(fēng)的動能，從而利用感應(yīng)發(fā)電機或壓電發(fā)電機將風(fēng)的動能轉(zhuǎn)變成電能輸出。該設(shè)計理念將減少常規(guī)渦輪機中很多零部件的設(shè)計與制造，如葉片，機艙，輪轂，變速器，制動裝置，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，從而使無葉片風(fēng)機Vortex具有無磨損、性價比高、便于安裝和維護、環(huán)境友好型及土地利用率高等顯著特點。

無葉片風(fēng)機Vortex的基本發(fā)電原理是卡門渦街。維基百科上這樣描述它，“在流體中安置阻流體，在特定條件下會出現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側(cè)，會產(chǎn)生兩道非對稱地排列的旋渦，其中一側(cè)的旋渦循時針方向轉(zhuǎn)動，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯排列，各個旋渦和對面兩個旋渦的中間點對齊，如街道兩邊的街燈般。這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國空氣動力學(xué)家西奧多·馮·卡門最先從理論上闡明而得名“卡門渦街”。“卡門渦街”可以解釋許多現(xiàn)象。1940年11月7日美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。華盛頓州政府特為此而設(shè)立專案調(diào)查組，經(jīng)過美國空氣動力學(xué)家西奧多·馮·卡門在加州理工學(xué)院風(fēng)洞進行模型測試，證明塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，是卡門渦街引起吊橋共振。原設(shè)計為了求美觀及省錢，使用過輕的物料，造成其發(fā)生共振的破壞頻率，與卡門渦街接近，從而隨強風(fēng)而劇烈擺動，導(dǎo)致吊橋崩塌。

與一般風(fēng)機通過渦輪的旋轉(zhuǎn)運動捕捉風(fēng)能所不同的是，無葉片風(fēng)機Vortex恰恰利用了卡門渦街來實現(xiàn)風(fēng)能的捕獲。通過利用這種空氣動力學(xué)的不穩(wěn)定，無葉片風(fēng)機Vortex可與風(fēng)速“同步”以保持共振，將振蕩最大化并進行機械能量的捕獲，進而利用該機械能進行發(fā)電。自然地，與傳統(tǒng)的渦輪機相比，無葉片風(fēng)機Vortex的設(shè)計是完全不同的。Vortex的風(fēng)機原型主要包括5個部分：基礎(chǔ)（foundation）、固定桅桿（rod）、發(fā)電機（generation system）、調(diào)諧系統(tǒng)（tuning system）和椎體（mast）。該錐體材質(zhì)為復(fù)合玻璃纖維及碳纖維，讓錐體能盡可能產(chǎn)生最大值振蕩。若有足夠的風(fēng)量，空氣流動時產(chǎn)生的渦量就能造成風(fēng)機塔架結(jié)構(gòu)振蕩與搖晃，進而發(fā)電。通常情況下，必須在風(fēng)速達到特定的頻率才能造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振蕩。但Vortex利用塔架底部的兩個環(huán)形相斥磁鐵作為非電動馬達，當(dāng)錐體朝其中一個方向擺蕩，底部相斥的磁鐵便會將其推往另一個方向。因此無論風(fēng)速如何，錐體本身都能持續(xù)產(chǎn)生最大值振蕩。一旦錐體開始振蕩，振蕩時產(chǎn)生的機械能就會通過錐體底部的發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。從無葉片風(fēng)機Vortex的發(fā)電原理來看，其屬于渦度發(fā)電機。渦度發(fā)電機的另一種使用形式為垂直軸發(fā)電機，垂直軸發(fā)電機依然使用的是直吹的風(fēng)，只不過把旋轉(zhuǎn)軸從水平變成了垂直。

無葉片風(fēng)機Vortex的一個顯著特色是其成本較低。與一般的風(fēng)機相比，其成本可減少40%。包括資金成本、運行和維護、土地租賃、保險和其他管理費用在內(nèi)，其典型歸一化成本約為$0.035/kWh。這將極大降低開發(fā)Vortex風(fēng)場的資金投入，不僅對其他可再生能源開發(fā)方式具有較高的競爭力，與傳統(tǒng)能源相比，其性價比也較高。Vortex風(fēng)機成本的降低主要來源于制造成本的降低：Vortex將塔和發(fā)電機集成進一個結(jié)構(gòu)，從而減少了移動部件和制造材料；此外，Vortex取消了機艙、支撐結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)風(fēng)機中成本最高的部分之一——風(fēng)葉。與傳統(tǒng)風(fēng)機相比，其制造成本大概可減少53%，并且運輸、建造和組織的過程也將被簡化。

Vortex風(fēng)機的設(shè)計使其機械部件避免了磨損和摩擦撕裂，因此在風(fēng)機的運行過程中不需要更換部件及添加潤滑油，從而可使維護成本減少80%。但是，這樣同時會帶來機構(gòu)的疲勞問題，風(fēng)會引起風(fēng)機機構(gòu)產(chǎn)生位移，尤其是彈性桿底部需要承受較大的力。不過，Vortex Bladeless公司對Vortex風(fēng)機的桿體材料即碳纖維進行了研究，結(jié)果表明彈性桿的應(yīng)力遠未達到碳纖維的工作極限，其壽命至少在30年。與傳統(tǒng)風(fēng)機相比，還有一個較大的區(qū)別就是Vortex風(fēng)機的發(fā)電機接近地面，從而便于組裝和維護。

此外，Vortex風(fēng)機還具有占地小，對環(huán)境的安全影響較低等優(yōu)勢。Vortex風(fēng)機對風(fēng)吹來的方向沒有限制——這和傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)機相比是一個極大的優(yōu)勢。也就是說，如果這種技術(shù)在未來得到更廣泛地使用，任何有風(fēng)的地方都可以安裝發(fā)電機，不必像現(xiàn)在的風(fēng)電場一樣，需要一年中有持續(xù)的來自某一方向的風(fēng)，才能保證足夠的使用效率和投資回報。

風(fēng)機的發(fā)電效率是一個較為重要的技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過實地測試，Vortex Mini型風(fēng)機（100W）的風(fēng)能利用效率，較傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪發(fā)電機低30%。但無葉片風(fēng)機Vortex所占的空間相對較小，并且其成本較低，這些優(yōu)勢可以彌補本身風(fēng)能利用效率較低的不足之處。

總的來說，Vortex的優(yōu)勢還是比劣勢多。這項技術(shù)已經(jīng)吸引了來自 Harvard University、SunEdison公司的TerraForm 功率可再生能源事業(yè)部Power Inc.和Dat Venture的興趣。

Vortex Bladeless 擬推出的Vortex風(fēng)機，最大容量為1MW，主要適用于大規(guī)模發(fā)電：大客戶、可再生能源的投資商和電力公司；中小容量的為4kW和100W，主要適用于家用或工業(yè)發(fā)電。Vortex Bladeless給出了其商業(yè)計劃，該計劃長達48個月，分為四個技術(shù)發(fā)展階段，其最終目標(biāo)是1MW發(fā)電機的預(yù)商用制造。目前已經(jīng)完成了100萬美元的融資，第一款風(fēng)機Vortex Mini將在一年內(nèi)完成研發(fā)和優(yōu)化，進入量產(chǎn)階段。

（作者為中科院博士，新能源創(chuàng)新觀察者。本文部分數(shù)據(jù)來自于Vortex Bladeless網(wǎng)頁。）endprint