風力發電機必須有葉片？不是，我的世界觀被刷新了

本文來自微信公眾號：果殼 （ID：Guokr42），作者：城明辰，題圖來自：AI生成

這隻萌萌噠的「小兔子」，居然也能發電？沒錯！它隨風搖動「翅膀」的同時，正在源源不斷地輸出電力。

提起「風力發電機」，你的腦海中是不是立刻浮現出「三葉片白色大風車」？

除了這經典的造型之外，真實的風力機還有著各種魔性的造型。

為什麼是三葉片？

風車作為風電機的「鼻祖」，在荷蘭發揮了巨大的排水作用，從而聞名世界。四葉片荷蘭風車的形象也深入人心。

美國西岸的多葉片提水風車曾經也廣為流行。多支葉片可以使整個風輪產生較大的功率，提供更充足的動力。

四葉片甚至多葉片風車已經成型，為什麼到風力發電機上，變成了三葉片呢？

葉片數目不會直接影響能量利用率，相反，葉片數目過多會幹擾空氣流動，降低風能的利用率。風能利用設備最多隻能捕獲風中59.3%的動能，並加以利用。這麼說來，風力機哪怕只有一支葉片，也可以產生同樣多的電。

不過，單葉片風電機並沒有成為主流。單只葉片會使風輪極度不平衡，嚴重威脅整個風電機組的安全性。想像一下，一大團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，但依然不夠穩定，在更理想的載荷控制技術出現之前，雙葉片風電機的應用依然會受到限制。

三葉片風力機因其最佳的佈局形式解決了平衡的問題，但「重」也成為「痛點」之一。單個風電葉片重達20噸，三支葉片組成的風輪就超過了60噸，真就是一個沉甸甸的大傢伙。地面上的基礎一旦存在有質量問題，整個機組都有可能傾覆倒塌。

有的廠家將風力機「化整為零」，使用多支小葉片，變身為四頭十二臂。2016年，風電龍頭企業維斯塔斯（Vestas）在丹麥技術大學（Technical University of Denmark）安裝了一台有四個風輪的風力機，機組在悄無聲息地運轉了兩年之後被完全拆除。由於機型的稀缺性導致相關數據異常寶貴，兩家機構至今也幾乎從未對外公開過任何數據。

沒葉片，也有電

瘋狂的科學家並不甘心接受平庸的葉片，從而提出了「無葉片」方案。傳奇的電學巨匠特斯拉（Nikola Tesla）就曾經申請過一款無葉片渦輪機的專利，但由於缺少合適的製造材料，最終不了了之。

基於這個思路，人們研發出了蝸殼外形的無葉片風力機。風推動內部的圓盤旋轉，帶動發電機進行發電。然而，這種「小豬佩奇」般的風電機，需要嚴格保證各個部件加工製造的精度，同時要求風必須對準進風口，這樣苛刻的條件製約了它的發展。

為了利用各個方向的來風，人們開發出「倒置大喇叭」造型的無葉片風力機。這個在衡水市安裝使用的風力發電機，能夠全方位捕捉風能，並充分利用微風，待氣流進入內部後，隨著沿途緩慢收縮的管道，氣流速度被逐漸增大，最後推動位於截面最窄處的發電機進行發電。

除了通過把風「騙」到自身內部進行發電，有的企業更進一步，回歸到最簡單的柱狀結構，推出了「如意金箍棒」——無葉片渦振器（Vortex Bladeless）。

它利用了「卡門渦街」現象：空氣流過時，會產生「漩渦」，誘發柱子產生往複振動。簡單地說就是柱子搖一搖，電就發出來。但該機型的效率極為有限，長期的振動會加劇材料的磨損，目前尚不具備商業化應用價值。

同樣借助「渦旋脫落效應」的，還有另外一款無葉片風力發電機「莎芬尼亞」（Saphonian bladeless）。相比「金箍棒」風力機，「莎芬尼亞」的頂部安裝了一個活動的圓盤和一隻尾舵（豎起來的梯形板）。

未來可期的垂直軸風力機

2016年，冰島國家音樂中心附近的風電公交車站投入運營，車亭上方奇怪造型的的垂直軸風力機為照明和電子產品提供電力。這台機組不僅能夠適應低風速環境（2米/秒），在颶風等級（超過50米/秒）的寒風中同樣可以正常工作。

垂直軸風力機的旋轉軸垂直於氣流方向，一般也垂直於地平面。傳統的水平軸風力機需要面朝大風，而垂直軸風力機對任意風向的風都是來者不拒，照單全收。

垂直軸發電機的結構承載力也大大增強，從而可以應對更強的風級。這些特性使得垂軸發電機在廣袤的海洋煥發生機。

腦洞大開的新型風力機

荷蘭建築師設計的「艾菲康」（EWICON）是一張靜態的網，矩形的鋼架外網中放置有多根水平的絕緣管，每根絕緣管上密集排佈著噴嘴，通過電極產生帶電的水霧，風吹動水霧形成電流，從而產生電能。

電影《超能陸戰隊》中，高空裡漂浮著很多的汽艇發電機為城市供電，其實這一技術在現實生活中已經實現了。高空的平均風速遠遠大於地表，並且風速波動更加平穩，多家公司把目光投向了具有巨大潛在價值的高空風電，製造出商品化的「汽艇發電機」。

為了使整體結構更加輕盈，「風箏風力機」應運而生。

雖然這些「腦洞大開」的風電機看似美好，但如何高效、穩定地傳輸電力依然是個大問題，阻礙了更大規模的應用。

當今，成熟的三葉片風力機技術已經大規模投入使用，但科學家們依然在探索著新型發電機。千奇百怪的外形只是表面現象，無限接近風能利用極限是風能研究的永恒目標。這些藝術外表下的極致追求，正是科學家的浪漫所在。

參考文獻

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

[2]VortexBladeless官網.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風電機組景縣廣川動工

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