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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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”。
为了使整体结构更加轻盈,“风筝风力机”应运而生。
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
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[1]Wobbling in the wind: a bladeless a… – Information Centre – Research & Innovation – European Commission europa.eu)
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[2] VortexBladeless 官网. https://vortexbladeless.com/
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[3]No blades! A pole-shaped wind turbine, Vortex Bladeless, generates power by shaking. https://www.bridgestone.com/
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[4]Invelox wind turbine, does it work? – betterworldsolutions.eu
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[5]Alphabet winds down energy kite division – The Verge
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[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.
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[7] 衡水 INVELOX 风电机组景县广川动工
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http://jingxian.hebei.com.cn/system/2016/07/18/011052501.shtml
本文来自微信公众号:果壳 (ID:Guokr42),作者:城明辰 编辑:麦麦、Luna、Owl