风力发电机必须有叶片？垂直轴风力机未来可期

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”？

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。

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。

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。

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。

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。

　　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。

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。

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。

　　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。

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。

　　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）。

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）。

“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。

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。

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。

　　“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”。

《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。

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

　　[7]衡水INVELOX风电机组景县广川动工

　　作者：城明辰

　　编辑：麦麦、Luna、Owl

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