一．前言

　　風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)量巨大，全球的風(fēng)能約為 2.74×10^9MW，其中可利用的風(fēng)能為 2×10^7MW[1]。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，所面臨的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，使得風(fēng)能等可再生能源迅速發(fā)展起來(lái)。根據(jù)國(guó)家能源局?jǐn)?shù)據(jù)，2014 年中國(guó)全部發(fā)電設(shè)備容量為 1360GW，其中并網(wǎng)風(fēng)電的容量達(dá)到了 95.8GW，也就是說(shuō)說(shuō)，風(fēng)電裝機(jī)量在中國(guó)發(fā)電裝機(jī)總量當(dāng)中占據(jù)大約 7%的份額。

　　一般情況下，我們所看見(jiàn)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)都是水平軸扇葉風(fēng)機(jī)，他們有著很大的風(fēng)機(jī)葉片，以此來(lái)吸收風(fēng)能并發(fā)電。然而，這樣的風(fēng)電機(jī)有一些弊端。一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的眾多風(fēng)機(jī)之間的排列需要較大的安全距離，也就是說(shuō)一塊固定大小的地面上能夠安裝的風(fēng)電機(jī)數(shù)量是有限的；另外，扇葉的旋轉(zhuǎn)也對(duì)鳥(niǎo)類帶來(lái)了危險(xiǎn)。

　　想象一下，一個(gè)沒(méi)有葉片的風(fēng)機(jī)會(huì)是什么樣紙？它需要更少的材料，成本更低，噪聲更小，對(duì)環(huán)境友好度更好……關(guān)上你的腦洞，來(lái)一睹它的風(fēng)采吧↓↓↓

　　這個(gè)酷炫的沒(méi)有葉片的風(fēng)機(jī)是由西班牙公司 Vortex Bladeless 開(kāi)發(fā)。無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 的工作原理是利用結(jié)構(gòu)的振蕩捕獲風(fēng)的動(dòng)能，從而利用感應(yīng)發(fā)電機(jī)或壓電發(fā)電機(jī)將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成電能輸出。該設(shè)計(jì)理念將減少常規(guī)渦輪機(jī)中很多零部件的設(shè)計(jì)與制造，如葉片，機(jī)艙，輪轂，變速器，制動(dòng)裝置，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，從而使無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 具有無(wú)磨損、性價(jià)比高、便于安裝和維護(hù)、環(huán)境友好型及土地利用率高等顯著特點(diǎn)。

　　二．Vortex 的發(fā)電原理——卡門(mén)渦街

　　無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 的基本發(fā)電原理是卡門(mén)渦街，維基百科上這樣描述它，“在流體中安置阻流體，在特定條件下會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側(cè)，會(huì)產(chǎn)生兩道非對(duì)稱地排列的旋渦，其中一側(cè)的旋渦循時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯(cuò)排列，各個(gè)旋渦和對(duì)面兩個(gè)旋渦的中間點(diǎn)對(duì)齊，如街道兩邊的街燈般，這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家西奧多·馮·卡門(mén)最先從理論上闡明而得名卡門(mén)渦街”[2-3]。

　　卡門(mén)渦街可以解釋許多現(xiàn)象。1940 年 11 月 7 日美國(guó)華盛頓州塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。華盛頓州政府特為此而設(shè)立專案調(diào)查組，經(jīng)過(guò)美國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)家西奧多·馮·卡門(mén)在加州理工學(xué)院風(fēng)洞進(jìn)行模型測(cè)試，證明塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，是卡門(mén)渦街引起吊橋共振。原設(shè)計(jì)為了求美觀及省錢(qián)，使用過(guò)輕的物料，造成其發(fā)生共振的破壞頻率，與卡門(mén)渦街接近，從而隨強(qiáng)風(fēng)而劇烈擺動(dòng)，導(dǎo)致吊橋崩塌。

　　與一般風(fēng)機(jī)通過(guò)渦輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)捕捉風(fēng)能所不同的是，無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 恰恰是利用了卡門(mén)渦街來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的捕獲。通過(guò)利用這種空氣動(dòng)力學(xué)的不穩(wěn)定，無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 可與風(fēng)速“同步”以保持共振，將振蕩最大化并進(jìn)行機(jī)械能量的捕獲，進(jìn)而利用該機(jī)械能進(jìn)行發(fā)電。

　　自然地，與傳統(tǒng)的渦輪機(jī)相比，無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 的設(shè)計(jì)是完全不同的。Vortex 的風(fēng)機(jī)原型主要包括 5 各部分：基礎(chǔ)(foundation)、固定桅桿(rod)、發(fā)電機(jī)(generation system)、調(diào)諧系統(tǒng)(tuning system)和椎體(mast)。該錐體材質(zhì)為復(fù)合玻璃纖維及碳纖維，讓錐體能盡可能產(chǎn)生最大值振蕩，若有足夠的風(fēng)量，空氣流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的渦量就能造成風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)振蕩與搖晃，進(jìn)而發(fā)電。通常在一般情況下，必須在風(fēng)速達(dá)到特定的頻率才能造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振蕩。但 Vortex 利用塔架底部的兩個(gè)環(huán)形相斥磁鐵作為非電動(dòng)馬達(dá)，當(dāng)錐體朝其中一個(gè)方向擺蕩，底部相斥的磁鐵便會(huì)將其推往另一個(gè)方向，因此無(wú)論風(fēng)速如何，錐體本身都能持續(xù)產(chǎn)生最大值振蕩。一旦錐體開(kāi)始振蕩，振蕩時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能就會(huì)通過(guò)錐體底部的發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

　　由無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 的發(fā)電原理來(lái)看，其屬于渦度發(fā)電機(jī)。渦度發(fā)電機(jī)的另一種使用形式為垂直軸發(fā)電機(jī)，垂直軸發(fā)電機(jī)依然使用的是直吹的風(fēng)，只不過(guò)把旋轉(zhuǎn)軸從水平變成了垂直。

　　三．Vortex 的技術(shù)特色

　　無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 的一個(gè)顯著特色是其成本較低。與一般的風(fēng)機(jī)相比，其成本可減少 40%。包括資金成本、運(yùn)行和維護(hù)、土地租賃、保險(xiǎn)和其他管理費(fèi)用在內(nèi)，其典型歸一化成本約為$0.035/kWh。這將極大降低開(kāi)發(fā) Vortex 風(fēng)場(chǎng)的資金投入，不僅對(duì)其他可再生能源開(kāi)發(fā)方式具有較高的競(jìng)爭(zhēng)力，與傳統(tǒng)能源相比，其性價(jià)比也較高。

　　Vortex 風(fēng)機(jī)成本的降低主要來(lái)源于制造成本的降低：Vortex 將塔和發(fā)電機(jī)集成進(jìn)一個(gè)結(jié)構(gòu)，從而減少了移動(dòng)部件和制造材料；此外，Vortex 取消了機(jī)艙、支撐結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)中成本最高的部分之一——風(fēng)葉。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比，其制造成本大概可減少 53%，并且運(yùn)輸、建造和組織的過(guò)程也將被簡(jiǎn)化。

　　Vortex 風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)使其機(jī)械部件避免了磨損和摩擦撕裂，因此在風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中不需要更換部件及添加潤(rùn)滑油，從而可使維護(hù)成本減少 80%。但是，這樣同時(shí)會(huì)帶來(lái)機(jī)構(gòu)的疲勞問(wèn)題，風(fēng)會(huì)引起風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生位移，尤其是彈性桿底部需要承受較大的力。不過(guò)，Vortex Bladeless 公司對(duì) Vortex 風(fēng)機(jī)的桿體材料即碳纖維進(jìn)行了研究，結(jié)果表明彈性桿的應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到碳纖維的工作極限，其壽命至少在 30 年。與傳統(tǒng)風(fēng)機(jī)相比，還有一個(gè)較大的區(qū)別就是 Vortex 風(fēng)機(jī)的發(fā)電機(jī)接近地面，從而便于組裝和維護(hù)。

　　此外，Vortex 風(fēng)機(jī)還具有占地小，對(duì)環(huán)境的安全影響較低等優(yōu)勢(shì)。Vortex 風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)吹來(lái)的方向沒(méi)有限制——這和傳統(tǒng)的水平軸風(fēng)機(jī)相比是一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)。也就是說(shuō)，如果這種技術(shù)在未來(lái)得到更廣泛地使用的話，任何有風(fēng)的地方都可以安裝發(fā)電機(jī)，不必像現(xiàn)在的風(fēng)電場(chǎng)一樣，需要一年中有持續(xù)的來(lái)自某一方向的風(fēng)，才能保證足夠的使用效率和投資回報(bào)。

　　風(fēng)機(jī)的發(fā)電效率是一個(gè)較為重要的技術(shù)參數(shù)。經(jīng)過(guò)實(shí)地測(cè)試，Vortex Mini 型風(fēng)機(jī)（100W）的風(fēng)能利用效率，較傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)低 30%，但無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 所占的空間相對(duì)較小，并且其成本較低，這些優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)本身風(fēng)能利用效率較低的不足之處。

　　總的來(lái)說(shuō)，Vortex 的優(yōu)勢(shì)還是比劣勢(shì)多。這家公司目前已經(jīng)完成了 100 萬(wàn)美元的融資，第一款風(fēng)機(jī) Vortex Mini 將在一年內(nèi)完成研發(fā)和優(yōu)化，進(jìn)入量產(chǎn)階段。

　　四．Vortex 的發(fā)展規(guī)劃

　　Vortex Bladeless 擬推出的 Vortex 風(fēng)機(jī)，最大容量為 1MW，主要適用于大規(guī)模發(fā)電：大客戶、可再生能源的投資商和電力公司；中小容量的為 4kW 和 100W，主要適用于家用或工業(yè)發(fā)電。Vortex Bladeless 給出了其商業(yè)計(jì)劃，該計(jì)劃長(zhǎng)達(dá) 48 個(gè)月，分為四個(gè)技術(shù)發(fā)展階段，其最終目標(biāo)是 1MW 發(fā)電機(jī)的預(yù)商用制造。這四個(gè)階段的細(xì)節(jié)說(shuō)明如下：

　　此外，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)吸引了來(lái)自 Harvard University、SunEdison 公司的 TerraForm 功率可再生能源事業(yè)部 Power Inc.和 Dat Venture 的興趣。

　　五．結(jié)語(yǔ)

　　無(wú)葉片風(fēng)機(jī) Vortex 利用卡門(mén)渦街原理來(lái)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電，這是風(fēng)能的一個(gè)技術(shù)飛躍，將以更有效、更便宜、更具環(huán)境友好的方式來(lái)產(chǎn)生能量。