距離今年第4號臺風(fēng)“黑格比”在我國登陸還不到一周，第5號臺風(fēng)“薔薇”又生成了。

圖片來源：中央氣象臺臺風(fēng)網(wǎng)

　　內(nèi)地的小伙伴可能對“臺風(fēng)”超過原子彈的威力不太熟悉，為此去年中國氣象局還曾強行科普過一波~

@中國氣象局微博

　　消滅臺風(fēng)是不可能的，那能不能考慮大大利用臺風(fēng)一波?借助臺風(fēng)發(fā)電，又能降低它的威力??

　　我們通?？吹降幕蛘邚母鞣N媒體上了解到的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備一般長這個樣子：

海邊的風(fēng)力發(fā)電機(圖片來源：Pixbay)

　　它的詳細(xì)名稱為上風(fēng)向三葉片水平軸升力型風(fēng)力發(fā)電機，它是目前主流的風(fēng)力發(fā)電形式，一般簡稱它為“風(fēng)力機”。它的構(gòu)造結(jié)構(gòu)看似簡單，先在地面立一根柱子，裝上發(fā)電機，然后在發(fā)電機主軸前插三只長長的葉片，一臺風(fēng)力機就這樣完成了。不過簡約的外表下卻潛藏著6000多個不同的部件，各種控制機構(gòu)紛繁復(fù)雜。最重要的是，當(dāng)葉片和中心輪轂組成的風(fēng)輪成為風(fēng)能的捕獲部件時，整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)不再遵循普通發(fā)電機的運行規(guī)律，風(fēng)輪葉片對應(yīng)的空氣動力學(xué)特征成為了風(fēng)電機組的核心元素。

某2MW級風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線(圖片來源：作者自制)

　　根據(jù)來流風(fēng)速大小與風(fēng)電機組機輸出功率的關(guān)系，大致可以將其運行狀態(tài)分成四個階段：

　　無風(fēng)靜止區(qū)(風(fēng)速在無風(fēng)與切入風(fēng)速之間)：無風(fēng)或來流風(fēng)速過小，風(fēng)力機風(fēng)輪靜止或緩慢旋轉(zhuǎn)，此時，發(fā)電機未進(jìn)入運行區(qū)間，不產(chǎn)生電流;

　　功率提升區(qū)(風(fēng)速在切入風(fēng)速與額定風(fēng)速之間)：隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)輪進(jìn)入平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，機組在該區(qū)域開始進(jìn)行發(fā)電，并且輸出功率隨風(fēng)速的增加逐漸提升;

　　功率恒定區(qū)(風(fēng)速在額定風(fēng)速與切出風(fēng)速之間)：由于發(fā)電機本身容量的限制，隨著風(fēng)速持續(xù)地增大，風(fēng)力機的輸出功率卻保持在一個恒定值(額定功率);

　　大風(fēng)停機區(qū)(風(fēng)速超過切出風(fēng)速)：當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大，當(dāng)超過機組的停機風(fēng)速時，風(fēng)力機進(jìn)行剎車制動，風(fēng)輪立即停止轉(zhuǎn)動，機組停機停止發(fā)電。

　　感覺這個曲線有點奇怪呀，風(fēng)速越大，風(fēng)能越豐富，能夠發(fā)的電越多，這正是發(fā)電的絕佳機會。但風(fēng)速才剛到25 m/s，風(fēng)力機怎么就停機了?這不是白白浪費了這難得的能量么?

　　因為，當(dāng)風(fēng)速過大時，機組如果未及時采取相關(guān)停機操作，它的結(jié)局可能會是這樣：

大風(fēng)車的“車速”太快會發(fā)生什么?(圖片來源Youtube)

　　單純從能量的角度看，風(fēng)速越大，自然越有利于發(fā)電。但當(dāng)風(fēng)速逐漸增大到威脅機組安全性時，發(fā)電已成為一個次要的目的。此時空氣的快速流動導(dǎo)致機組承受著巨大的壓力(風(fēng)載荷)，一旦處理不當(dāng)，出現(xiàn)上述“飛車”狀況，則會釀成葉片折斷、整機傾覆等災(zāi)難性事故。

　　而在臺風(fēng)登陸期間，最危險的因素并不僅僅是強勁的風(fēng)力，還有混亂多變的風(fēng)向，而后者對風(fēng)電機組的威脅更大。當(dāng)風(fēng)力機覺察到極端風(fēng)況即將來臨時，除了迅速剎車制動，鎖定風(fēng)輪主軸之外，還要果斷“認(rèn)慫”，根據(jù)風(fēng)向調(diào)轉(zhuǎn)機頭，將自身沿來流方向的投影面積降至最小，盡量減小受風(fēng)面積。雖然在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下，在我國沿海地區(qū)登陸的臺風(fēng)整體沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，但在臺風(fēng)壁外圍，其內(nèi)部的流動卻極其紊亂，風(fēng)向復(fù)雜多變，這對機組的控制策略提出了更為嚴(yán)格的要求。此外，臺風(fēng)登陸過程往往伴隨著短時強降雨，同時產(chǎn)生的閃電和雷暴也會對風(fēng)力機的可靠性造成極大的威脅。

　　2016年臺風(fēng)“杜鵑”的中心風(fēng)速為57 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于風(fēng)力機設(shè)計所能夠承受的極限風(fēng)速，但仍舊出現(xiàn)了大規(guī)模葉片折斷，甚至出現(xiàn)了整個機組傾覆倒塌的災(zāi)難性事故。

臺風(fēng)“杜鵑”登陸損壞的風(fēng)力機

　　當(dāng)然，臺風(fēng)并非完全不能夠用于發(fā)電。雖然臺風(fēng)核心區(qū)域的威力令風(fēng)力機聞風(fēng)喪膽，但臺風(fēng)影響的區(qū)域十分廣闊，隨著沿外圍距離的增大，風(fēng)速會逐漸降低。當(dāng)?shù)陀?5 m/s時(目前絕大多數(shù)風(fēng)力機的切出風(fēng)速)，此時風(fēng)力機可以“大快朵頤”，充分吸收臺風(fēng)的能量，用于發(fā)電。例如，2018年臺風(fēng)“安比”在江蘇如東境內(nèi)的最大風(fēng)力只有9級，它給沿岸的風(fēng)電場帶來了可觀的發(fā)電效益。如果風(fēng)力機在將來使用力學(xué)性能更為優(yōu)良的材料進(jìn)行制造，使其突破了25 m/s甚至更高停機風(fēng)速的限制，在臺風(fēng)肆虐的時刻也能夠游刃有余地從容面對，那么距離實現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電的目的就又近了一大步。

　　以上介紹的是目前主流的大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機的特點，實際上，風(fēng)力機存在的類型多種多樣，只是絕大多數(shù)的機型并不適用于發(fā)電。經(jīng)歷關(guān)東大地震及福島核泄漏事件之后，日本對核電的安全性更加謹(jǐn)慎。日本工程師清水淳(Atsushi Shimizu)下定決心開發(fā)利用臺風(fēng)發(fā)電的風(fēng)力機。在意識到當(dāng)前主流風(fēng)力機的局限性后，于是他決定另辟蹊徑，組合開發(fā)一種全新的風(fēng)力機類型。他于2014年創(chuàng)立了清潔能源公司Challenergy并擔(dān)任CEO。兩年后的2016年9月，清水淳對外宣布其成功研發(fā)了世界首臺臺風(fēng)風(fēng)力機，這臺機組可以承受80 m/s的風(fēng)速，并且不論臺風(fēng)風(fēng)向如何變化都能輕松應(yīng)對，有效地利用臺風(fēng)的能量。

臺風(fēng)風(fēng)力機模型及其發(fā)明人清水淳(圖片來源：電子發(fā)燒友)

　　這款臺風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機有什么魔力使得它能夠駕馭臺風(fēng)?

　　與主流的水平軸風(fēng)力機不同，這款風(fēng)力機屬于結(jié)構(gòu)安全性相對較高的垂直軸風(fēng)力機，解決了偏航對風(fēng)問題。此外，與以翼型為外部橫截面的傳統(tǒng)葉片截然不同，這款風(fēng)力機葉片外形是光滑的圓柱體，它產(chǎn)生升力的原理來源于流體力學(xué)中的“馬格努斯效應(yīng)(Magnus effect)”，即一個在流體中轉(zhuǎn)動的物體(如圓柱體)由于物體旋轉(zhuǎn)帶動周圍流體旋轉(zhuǎn)，使得物體兩側(cè)的流體速度發(fā)生差異，導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)物體能產(chǎn)生一個橫向升力。通過控制圓柱葉片繞中心軸的旋轉(zhuǎn)速度，更加靈活地改變?nèi)~片所受的升力，有效地調(diào)節(jié)風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度，保證機組在高風(fēng)速下也能夠平穩(wěn)運行。

馬格努斯效應(yīng)(圖片來源：Challenergy官網(wǎng))

　　這臺所謂的世界首款臺風(fēng)風(fēng)力發(fā)電機其實并不新奇，它只是將馬格努斯效應(yīng)和垂直軸風(fēng)力機兩種元素組合在了一起。馬格努斯現(xiàn)象早在1852年就被德國科學(xué)家馬格努斯發(fā)現(xiàn)，并且根據(jù)這個原理，在飛機和輪船上開展了大量的探索研究，甚至已經(jīng)應(yīng)用于水平軸風(fēng)力機中。

　　Challenergy官網(wǎng)公開的報道顯示，清水淳的研究團隊正在針對馬格努斯垂直軸風(fēng)力機開展一系列的實驗研究。在100 kW原型機的初步測試中，風(fēng)力機的能量轉(zhuǎn)化效率只有近30%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于主流風(fēng)力發(fā)電機的發(fā)電效率。由于這種風(fēng)力機本身的運行控制方式較為復(fù)雜，其功率難以大幅提升。因此，這款臺風(fēng)風(fēng)力機未來大型化的研發(fā)道路則會更加崎嶇難行。

100 kW臺風(fēng)發(fā)電機的試驗機(圖片來源：Challenergy官網(wǎng))

　　每到臺風(fēng)侵襲的季節(jié)，臺風(fēng)發(fā)電的謠言往往就會吸引人們的注意力。但民眾普遍對風(fēng)力發(fā)電有一個誤解，只有在風(fēng)大的地方才有必要建造風(fēng)力發(fā)電機。風(fēng)速大小固然是衡量一個風(fēng)電場效益的重要參數(shù)，但該地區(qū)風(fēng)持續(xù)的時間(在風(fēng)電產(chǎn)業(yè)中，一般將其稱為風(fēng)能利用小時數(shù))則更為關(guān)鍵。雖然平均風(fēng)速12 m/s和24 m/s兩種風(fēng)況對應(yīng)的風(fēng)能相差將近8倍，但對于一些風(fēng)力機而言，其單位時間內(nèi)產(chǎn)生的電量卻是相同的。其實風(fēng)力機在3m/s的風(fēng)速下就可以運行了，并且現(xiàn)在的機組已經(jīng)完成了向低風(fēng)速型進(jìn)行過渡的技術(shù)轉(zhuǎn)變，在年平均風(fēng)速的地區(qū)也有可能獲得可觀的發(fā)電量。

　　總而言之，雖然我們目前尚不能完全利用臺風(fēng)進(jìn)行發(fā)電，但這個目標(biāo)并非遙不可及。當(dāng)然，清水淳團隊所研發(fā)的風(fēng)力機實現(xiàn)了臺風(fēng)發(fā)電的目的，這項成果的確會產(chǎn)生一定的科研價值。它會使得風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)水平邁上一個更高的階梯。但在實際工程應(yīng)用上，臺風(fēng)發(fā)電最為關(guān)鍵的問題并不在于技術(shù)的可行性，而是安裝運維成本、制造技術(shù)水平、能量利用效率、運行安全性、經(jīng)濟收益等多個因素的綜合考量。通過利用偶爾“拜訪”的臺風(fēng)顯然不能保證長期穩(wěn)定的發(fā)電量，這種技術(shù)策略并不具有理想的收益，缺乏商業(yè)化開發(fā)的價值。因此，臺風(fēng)發(fā)電在未來很長的時間內(nèi)不會成為主流的發(fā)電形式。

　　科學(xué)大院是中科院官方科普微平臺，由中科院科學(xué)傳播局主辦、中國科普博覽團隊運營，致力于最新科研成果的深度解讀、社會熱點事件的科學(xué)發(fā)聲。