本帖最后由 twq19810302 于 2022-10-10 09:50 編輯
撲翼風力發(fā)電機 | Youtube/ TYER WIND
這只萌萌噠的“小兔子”,，居然也能發(fā)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(fā)電機”,，你的腦海中是不是立刻浮現(xiàn)出“三葉片白色大風車”,？
主流的三葉片風力機 | Pixabay
除了這經(jīng)典的造型之外，真實的風力機還有著各種魔性的造型,。 為什么是三葉片,？
風車作為風電機的“鼻祖”，在荷蘭發(fā)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。
美國西部的多葉片提水風車曾經(jīng)也廣為流行。多支葉片可以使整個風輪產(chǎn)生較大的功率,，提供更充足的動力,。
多葉片風車 | Pixabay
四葉片甚至多葉片風車已經(jīng)成型，為什么到風力發(fā)電機上,，變成了三葉片呢,？
葉片數(shù)目不會直接影響能量利用率，相反,，葉片數(shù)目過多會干擾空氣流動,，降低風能的利用率。風能利用設備最多只能捕獲風中59.3%的動能,，并加以利用,。這么說來，風力機哪怕只有一支葉片,，也可以產(chǎn)生同樣多的電,。
單葉片風力機 | Youtube/Audun
不過，單葉片風電機并沒有成為主流,。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。想象一下,，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(wěn)定,，在更理想的載荷控制技術出現(xiàn)之前，雙葉片風電機的應用依然會受到限制,。
雙葉片風力機示意圖 | Youtube/DOB-Academy studio
三葉片風力機因其最佳的布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家伙。地面上的基礎一旦存在有質(zhì)量問題,，整個機組都有可能傾覆倒塌,。
倒塌的風力機 | Youtube/ DailyTop20s
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(yè)維斯塔斯（Vestas）在丹麥技術大學（Technical University of Denmark）安裝了一臺有四個風輪的風力機,，機組在悄無聲息地運轉(zhuǎn)了兩年之后被完全拆除,。由于機型的稀缺性導致相關數(shù)據(jù)異常寶貴,，兩家機構(gòu)至今也幾乎從未對外公開過任何數(shù)據(jù)。
四風輪風力機 | Power-Technology
沒葉片,，也有電
瘋狂的科學家并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(jīng)申請過一款無葉片渦輪機的專利,，但由于缺少合適的制造材料,，最終不了了之。
特斯拉無葉片渦輪機原理圖 | Homeconstructor.de
基于這個思路,，人們研發(fā)出了蝸殼外形的無葉片風力機,。風推動內(nèi)部的圓盤旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機進行發(fā)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制造的精度,，同時要求風必須對準進風口,，這樣苛刻的條件制約了它的發(fā)展。
無葉片風力機的原型機 | endalldisease.com
為了利用各個方向的來風,，人們開發(fā)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(fā)電機，能夠全方位捕捉風能,，并充分利用微風,，待氣流進入內(nèi)部后，隨著沿途緩慢收縮的管道,，氣流速度被逐漸增大,，最后推動位于截面最窄處的發(fā)電機進行發(fā)電。
藍色線表示空氣流速低,，紅色線表示空氣流速高 | Powermag
除了通過把風“騙”到自身內(nèi)部進行發(fā)電，有的企業(yè)更進一步,，回歸到最簡單的柱狀結(jié)構(gòu),，推出了“如意金箍棒”——無葉片渦振器（Vortex Bladeless）。
無葉片渦振器 | Vortexbladeless
它利用了“卡門渦街”現(xiàn)象：空氣流過時,，會產(chǎn)生“漩渦”,，誘發(fā)柱子產(chǎn)生往復振動。簡單地說就是柱子搖一搖,，電就發(fā)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(yè)化應用價值,。
無葉片渦振器原理 | Vortexbladeless
同樣借助“渦旋脫落效應”的,，還有另外一款無葉片風力發(fā)電機“薩芬尼亞”（Saphonian bladeless）。相比“金箍棒”風力機,，“薩芬尼亞”的頂部安裝了一個活動的圓盤和一只尾舵（豎起來的梯形板）,。
“薩芬尼亞” | endalldisease.com
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(chǎn)品提供電力,。這臺機組不僅能夠適應低風速環(huán)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。
冰島垂直軸風力機 | Designboom
垂直軸風力機的旋轉(zhuǎn)軸垂直于氣流方向,，一般也垂直于地平面,。傳統(tǒng)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(fā)電機的結(jié)構(gòu)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(fā)電機在廣袤的海洋煥發(fā)生機,。
漂浮式V形垂直軸風力機 | theguardian.com
腦洞大開的新型風力機
荷蘭建筑師設計的“艾維康”（EWICON）是一張靜態(tài)的網(wǎng)，矩形的鋼架外網(wǎng)中放置有多根水平的絕緣管,，每根絕緣管上密集排布著噴嘴,，通過電極產(chǎn)生帶電的水霧，風吹動水霧形成電流,，從而產(chǎn)生電能,。
“艾維康”風力機 | WonderfulEngineering
電影《超能陸戰(zhàn)隊》中，高空里漂浮著很多的汽艇發(fā)電機為城市供電,，其實這一技術在現(xiàn)實生活中已經(jīng)實現(xiàn)了,。高空的平均風速遠遠大于地表，并且風速波動更加平穩(wěn),，多家公司把目光投向了具有巨大潛在價值的高空風電,，制造出商品化的“汽艇發(fā)電機”。
《超能陸戰(zhàn)隊》中空中風力機 | 影片截圖
現(xiàn)實中的高空發(fā)電機 | everythinginflatables
為了使整體結(jié)構(gòu)更加輕盈,，“風箏風力機”應運而生,。
高空風箏風力發(fā)電機 | Hazebird
雖然這些“腦洞大開”的風電機看似美好，但如何高效,、穩(wěn)定地傳輸電力依然是個大問題,，阻礙了更大規(guī)模的應用。
當今,，成熟的三葉片風力機技術已經(jīng)大規(guī)模投入使用,，但科學家們依然在探索著新型發(fā)電機。千奇百怪的外形只是表面現(xiàn)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。
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發(fā)表于 2022-10-10 09:48:07
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