|
原标题：《造型吸睛 解决噪声和撞鸟难题 风力发电机：我被玩“坏”了》 ◎本刊主笔 刘国伟 【开发可再生而又清洁的风能受到全球普遍重视。在人们的印象中，风力发电机就是由一根柱子、3扇叶片组成，殊不知世界各地的发明家纷纷大开脑洞，已开发出一系列匠心独具、颠覆传统的风力发电机造型，令人耳目一新。】 “艾维康”风力发电系统 当下主流风电机短板多目前，主流的风力发电机在结构上高度同质化，这可以视为技术和市场之间长期以来达成的默契，但其设计远非完美。除了外形庞大笨重，运行维护成本高等固有短板外，业界公认它们还有以下一些不足。 其一是噪声。不是所有风电场都建在人迹罕至的偏远地区，风机叶片扫掠空气形成的噪声，是风电场对周边人居环境的最大不利影响之一，许多人长期被风力发电机的低频噪声所折磨。 其二是撞鸟。三扇叶片的风力发电机的外观简洁大方，从远处看虽有一种独特的美感，但对翱翔空中的鸟儿来说却暗含杀机，被击中的鸟类下场可谓惨烈。仅澳大利亚的麦克阿瑟风电场，每年被风电机杀死的鸟儿达1500只，其中1/3是珍稀猛禽。 其三是怕强风。对风机叶片来说，并非风越大越好，极端天气下的强风经常会造成风机受损甚至倒塌。 最后是无法突破的能量转换极限。早在1919年，德国物理学家阿尔伯特·贝兹通过研究提出了风电学科中的著名理论“贝兹极限”。该理论证明在理想情况下，常规风力发电机风能转换成电能的极限比值为16/27（约为59.3%），不到六成。 上述问题让业界设计人员夙夜难寐，于是多年来各方不断将自己的奇思妙想付诸行动，发明了造型各异的风电机。 新型无叶片风电机产电高风在物体表面流动后会在尾端形成一股涡流，这种涡流会对物体本身施加一种力，这就是著名的“涡旋脱落效应”。这个名词使桥梁工程师闻之色变，因为这是造桥工程中极力避免的有害效应。但是，突尼斯的萨芬能源公司研发的无叶片风力发电机“萨芬尼亚”，正是借助“涡旋脱落效应”引起物体摆动产生的能量来发电。 “萨芬尼亚”取自对古代迦太基（位于今天突尼斯一带的古国）人所膜拜的风神。从结构上看，“萨芬尼亚”部件只有一根固定的桅杆、一台发电机和玻璃纤维圆盘，占地很小。圆盘借助“涡旋脱落效应”迎风扭动的时候，会把风能通过活塞传递到后面的水力储压器中，然后带动涡轮发电机运转发电。没有巨大的旋转叶片，鸟类生命可保无虞；因为噪声要低得多，所以风电场的选址也就相对不受限制。 “萨芬”能源公司的圆盘风电机，迎风扭动的姿态十分怪异。 “萨芬尼亚”没有需要润滑的齿轮和变速箱等部件，所以整个系统的维护保养工作量也少。萨芬能源公司的设计人员称，该风力发电机最突出的优势是能量转化率高达80%，对比常规风电机组30%〜40%的能量转化率，这无疑是个惊人的数字。 萨芬能源一边进行实地测试和改进，一边在全球70多个国家注册了专利，其标新立异的设计吸引了关注零排放的微软公司等技术巨头的兴趣。有专家认为，“萨芬尼亚”系统在印度等基础设施落后、能源不足的国家，不失为一种经济可行的替代选择。 靠瘦取胜的“风柱”还有一种风力发电机外形要更激进，不仅没有叶片，主体结构简约到只剩下一根柱子。这种绰号被称为“风柱”的产品，出自西班牙初创公司VB之手，也是利用“涡旋脱落效应”来发电。 “风柱”由玻璃纤维和碳纤维复合材料组成，可以在风中自由振动。柱子底部有两块彼此排斥的磁铁，当柱体朝一个方向晃动时，排斥磁铁会将其推向反方向，如此往复不休产生的动能通过交流发电机就转换成了电能。在这个过程中，系统产生的噪声几乎可以忽略不计，过往的鸟类也无性命之忧。简洁的结构也使得“风柱”系统的制造和维护成本较少。VB公司介绍，该系统的维护成本要比传统风力涡轮机低80%，制造成本低53%，这就直接压低了发电成本。 就“风柱”原型的现场测试来看，单个系统的发电量比常规风力发电机低30%。但是“风柱”系统胜在装机密度而非单体发电能力，它占地面积小的优势会弥补这个不足，在安装常规风电机组的风电场里能够安装密度更高的“风柱”，以提供更多的电能。 VB公司自公布“风柱”的设计思路后遇到不少挑战。为解决资金问题，该公司四处“化缘”，有众筹也有天使投资，令人乐观的是欧盟通过“地平线2020”计划为其提供了额外的财政支持。所谓“地平线2020”是一项欧盟拨款（预算为800亿欧元）计划，它对具有潜在社会、经济和环境效益的发明进行赞助。 西班牙的“风柱”发电场。“风柱”造型极为简洁，占用空间很少。 VB公司将产品试点选择在印度农村地区，计划在今年晚些时候开展。之所以选在印度农村，是因为“风柱”在太阳下山后能够接力当地安装的光伏发电装置发电，没有了太阳还有风，让电源供应不断流。VB公司公布资料称，目前一个2.75米高的“风柱”产品售价约为250美元，供电功率为100瓦。公司的长远目标是进一步降低发电成本。 用捕风网发电周围可住人前面所说的风电系统还有明显的运动部件，荷兰梅卡诺建筑公司和代尔夫特理工大学研究人员设计的“艾维康”（EWICON），则只用一张静态的网来实现风能发电。“EWICON”是静电风能转换器的缩写。 “艾维康”的外观主体是一个巨大的钢架，架子里放置了一系列呈水平分布的绝缘管。每根绝缘管都包含几个电极和喷嘴，通过二者结合可以产生带电粒子；随着粒子被风吹动，“艾维康”的电压随之改变，周围就会形成电场，产生电能。由于没有叶片也没有可动部件，“艾维康”的日常维护量和产生的噪声都很少。 筹划中的“荷兰风轮”建筑，中间的圆形区域将用来安装“艾维康”风力发电系统。 目前，“艾维康”系统在荷兰有两套投入运行，一套在鹿特丹一座城市建筑的楼顶（含两个子系统），还有一套安装在代尔夫特理工大学的校园内。从长远看，“艾维康”有望在名为“荷兰风轮”的大项目中唱主角。根据2015年荷兰方面发布的消息，鹿特丹政府准备在2020〜2025年间完成“荷兰风轮”建筑项目，该项目总建筑面积6万多平方米，耗资2.5亿至5亿欧元。该建筑外形上非常像“伦敦眼”摩天轮，周围一圈环形结构中可以住人，中间大片的环形区域则用来安装“艾维康”风力发电系统。 垂直轴风电机灵感来自风速表随处可见的风速表则给了冰岛初创公司“冰风”以设计灵感。该公司于2009年使用玻璃纤维制造出了第一台垂直轴风机后，在测试过程中发现这种风力发电机能够很好地适应低风速环境。后来，该公司的设计团队开始使用不锈钢和铝合金等制造垂直轴风机，推出了实用的1千瓦功率的风力发电机。 2016年在冰岛首都公交站投入使用的垂直轴风力发电机 冰风公司的发动机轴承不同于常规的水平轴风电机组，是垂直放置的。锋利的富有工业美感的叶片正对着天空绕着垂直轴旋转，能够适应的风速范围很宽，甚至在冰岛冬天高达180公里时速的寒风中工作。该设备的叶片不同于常规风机的叶片，设备运行过程中发出的声音不到35分贝，可安装在住宅和农场中，甚至在公共汽车站顶部安装。 由于冰风公司得到了欧盟和冰岛当地金融机构的资助，其垂直轴风力发电机得以持续研发并投入了应用。2016年，该公司设计的第一个风电公交车站在雷克雅未克国家音乐中心附近投入运营，为车站照明、无线网络和小型电子产品的充电设备提供了电力。 日本设计师要借台风发电岛国日本是台风频发之地，当地风电企业在每年台风季节到来时都如临大敌。尽管风力发电机在台风肆虐时需停转，叶片保持风阻最小姿态，但是风车受损的事情仍时有发生，实际上这也是很多沿海风电场经常面对的难题。此外，2011年福岛核事故之后，日本为弥补电力缺口甚至重启煤电厂来解决电力紧缺问题。这种现实状况给了日本工程师清水淳司以机遇，他考虑利用台风来解决能源贫乏的问题。 2018年8月，强台风“西马仑”袭击日本兵库县淡路岛，摧毁了当地一座60米高的风力发电机。 清水淳司认为，强劲的台风可以被利用来发电。2013年，他为自己的创意申请了第一项专利，开发了一款形似打蛋器的风力发电机。机器主体由3个独立的垂直圆柱体围绕一根垂直轴构成，非常紧凑。实际上3个圆柱体起到了叶片的作用，能够捕捉来自各个方向的风，始终旋转自如，而不像常规风力发电机受限于单一风向，同时避免了噪声和撞鸟两大难题。如果风暴过猛，工程人员可通过收紧中心杆的方式调整旋转速度，确保风机不会在风暴中失控和损坏。测试表明，这种类型的风力发电机效率比常规风力发电机稍低，但是能顶住台风压力，而且在台风中继续发电。 清水淳司还得到了日本新能源产业技术综合开发机构（NEDO）的资助，这是一个支持企业家的政府组织。目前，一台一千瓦功率的台风风力发电机安装在了冲绳南城，并进行现场测试。但清水淳司不满足于此，他认为台风更为猛烈的菲律宾群岛才是他的风力发电机一展身手的最佳战场。 日本冲绳南城安装运行的第一座台风风力发电机 微风发电系统落户河北乍一看，美国明尼苏达州谢尔温公司开发的Invelox微风发电系统犹如一个倒置的大喇叭，最大特点是时速只有1到2英里（合1.6到3.2公里）的微风也能被利用来发电。从结构上看，这套微风发电系统的顶端有数个集风口，能全方位捕捉流动的空气。气流穿过集风口后进入系统内部，沿途的管道越来越窄，由此产生了“文丘里效应”（当流体流经管道时，管道空间如果突然变窄，会导致流体流速增大的效应），将气流加速，继而推动内部的风力涡轮机发电，最后底部的扩散器把利用后的气流排出系统。 美国明尼苏达州谢尔温公司的微风发电系统样机 2016年6月，该微风发电系统被中国引进后，在河北衡水市景县广川镇衡水中城农业科技园开工建设。河北引进的这套风力发电系统包括1台单机容量2.2兆瓦的微风发电机组，总投资额为1021万元，旨在解决风力发电和农业争土地资源的问题，使风力发电与农业生产有机结合了起来。《中国能源报》称该项目年度发电收入可达470万元，预计每年可创造利税合计296万元，年收益率达到23.88%以上，减排效果显著。同年9月28日，该套微风发电项目钢结构顺利封顶。 不过，今年1月美国谢尔温公司正式宣布破产。该公司掌握的微风发电相关的知识产权也在互联网上公开拍卖，参与投标者递交标书的最后期限为今年7月19日。至于河北景县广川镇的微风发电系统的运营状况，尚不得而知。 以上各种产品只是近些年来引人关注的一部分风力发电机。这些产品在设计研发、市场接受、资本支持和推广应用等方面难免遇到这样那样的困难和问题，甚至会功败垂成，但下一个革命性的设计也许就在其中。 （本文写作中参考了科学与发展网、福布斯、探索者、CNN、国际新能源网等网站的信息，特此声明并致谢。） |
|
|
