撲翼風力發電機| Youtube/ TYER WIND
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”？
主流的三葉片風力機| Pixabay
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。
風車| Pixabay
美國西部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。
多葉片風車| Pixabay
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，葉片數目過多會干擾空氣流動，降低風能的利用率。風能利用裝置最多隻能捕獲風中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。
單葉片風力機| Youtube/Audun
不過，單葉片風電機並沒有成為主流。單隻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。
瘋狂甩乾的洗衣機| Giphy
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。
雙葉片風力機示意圖 | Youtube/DOB-Academy studio
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。
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了兩年之後被完全拆除。由於機型的稀缺性導致相關資料異常寶貴，兩家機構至今也幾乎從未對外公開過任何資料。
四風輪風力機 | Power-Technology
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。
特斯拉無葉片渦輪機原理圖| Homeconstructor。de
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，這樣苛刻的條件制約了它的發展。
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。
藍色線表示空氣流速低，紅色線表示空氣流速高| Powermag
除了透過把風“騙”到自身內部進行發電，有的企業更進一步，迴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）。
無葉片渦振器| Vortexbladeless
它利用了“卡門渦街”現象：空氣流過時，會產生“漩渦”，誘發柱子產生往復振動。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。
無葉片渦振器原理| Vortexbladeless
同樣藉助“渦旋脫落效應”的，還有另外一款無葉片風力發電機“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隻尾舵（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品提供電力。這臺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。
冰島垂直軸風力機| Designboom
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。
漂浮式V形垂直軸風力機| theguardian。com
腦洞大開的新型風力機
荷蘭建築師設計的“艾維康”（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布著噴嘴，透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。
“艾維康”風力機| WonderfulEngineering
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”。
《超能陸戰隊》中空中風力機 | 影片截圖
現實中的高空發電機| everythinginflatables
為了使整體結構更加輕盈，“風箏風力機”應運而生。
高空風箏風力發電機| 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
是風能研究的永恆目標。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
作者：城明辰
編輯：麥麥、Luna、Owl
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