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风力发电=大风车转呀转悠悠?你out啦!

张秦(可道|文以载道观察员)

        今天来给大家介绍一些萌萌哒非传统型的风力发电设施。不过在看萌物之前,还是要强行科普一下风力发电的原理(已经知道了的同学请自行跳过啦)。

        风能究竟是如何发电的呢?

        风能就是因空气流动而产生的动能——我们通过风车可以把动能转化成可利用的机械能(古代就有利用风车来磨谷物和抽水的);而用风力发动机则可以把此机械能转化为电能:简单来说就是透过传动轴,将扇叶的旋转动力传送至发电机来发电。

        虽然我们常常把风电叫做“新能源”,但人类早在18世纪就发明了风力发电,只不过一直没有大规模的研究和使用。到了1973年,第一次石油危机的爆发导致了人们对风力发电的重新认识和大量投资。风能的好处是能量丰富且可再生、分布十分广泛,又不会排放有毒污染物和温室气体。如果能用风电取代传统的火电,那么我们可以同时解决石油紧缺和全球气候变暖两个难题。

       风力发电既然不是什么高科技的玩意儿,我们为什么很少见到风车呢?

        白白的大风车虽然并不难看,但它们只适合建在人烟稀少的地方。首先是因为风车要足够大才能有效地把风能转化成机械能(一个扇叶大约要50米长),所以风力发电站所需占地面积极大。而且,这么多的大扇叶转动起来会造成噪声污染,导致风力发电站1.5公里之内都不适合建造居民区和办公区。另外,扇叶的反光和遮光也会造成光污染(室内忽明忽暗或有刺眼强光),不同建筑材料的反光程度和角度不同,这使得光污染影响的范围更大而且不容易预测。那么,愿意每天在家紧闭窗户、拉好遮光帘的同学请举手~反正我是不会举的。所以,占地面积巨大且选址困难是制约风力发电发展的最大因素。

        还有一件事非常令人揪心,就是扇叶的撞击会造成大量鸟类的死亡。美国的统计显示每年撞死在风车上的鸟类有大约40万只,其中大多数都是迁徙的候鸟和稀有的猛禽。因为体积大、惯性大、或者视力不好,飞行中的大型鸟类很难避开旋转的扇叶。作者就曾经听风电站的管理员开玩笑说,如果懒得去市场买菜,就到风车下面转一圈,准能拎两只新鲜的野鸭回来作晚饭,运气好的话还可以烤只白头鹰吃一吃……(你吃的可是国鸟啊喂!)

(图片来源于网络)


        风电也是委屈哭了--人家本来是绿色能源,怎么反而到处被嫌弃? 乖啦不哭,其实利用风能没有什么问题,问题全出在风车上——

       那么,现在都有哪些非传统的风力发电机呢?

1.立轴风力机(Vertical wind turbines)--矮胖子

        立轴风力机是最常见的非传统风力发电机。它工作的原理和我们熟悉的大风车是一样的,也是捕捉风能转化成电能, 区别只不过是把大风车横过来放而已。也就是说,普通的风车是用横轴支撑、纵向旋转的;而立轴风力机是由立轴支撑、横向旋转的。

        根据先进的空气动力学设计出来的立轴风力机,可以有效地利用来自四面八方的风能,所以这种风力机不需要有大扇叶或被架得很高,这就直接降低了材料和维护成本;矮胖的立轴风力机可以让土地利用更高效,因为我们完全可以把它们塞到已经建成的传统风力机之间的空地上去,一点也不碍事儿。更好的是,立轴风力机造成的噪声污染和光污染都比传统风电机小得多。由于个子矮,我们也不用担心立轴风力机会伤害到鸟类。

(图片来源于网络)

        我们在城市中常常看到的一些装饰品一样的风力机也是这一款。这样小又漂亮的风力机既为路灯等公共设施提供能源,又让人眼前一亮。

(图片来源于网络)

        立轴风力机从发明到现在也有十几年的了,可为什么我们几乎看不到它的踪影呢?

        ——这个嘛,都怪材料工程的发展赶不上空气动力学的发展速度。科学家们可以搞定立轴风力机的设计原理,但是却制造不出来足够坚固的扇叶。前面说过,立轴风力机可以捕获来自各个方向的风能,但这也就是说我们可怜的矮胖子会遭受来四面八方的伤害,所以它们很容易坏掉。所以,目前为止,立轴风力机始终没有成为主流。

2.蜂鸟仿生学风力机(Tyer Wind公司)—你才是鸟呢,你全家都是鸟!

        鸟都是天生的空气动力学家,模仿鸟类翅膀来捕捉风能一定很厉害吧!突尼西亞的一家风力机设计公司决定要试试。这款看起来一点也不像风力机的装置,是利用鸟类振翅的原理,将风能转化成电能的。没有几十米长的大扇叶,蜂鸟机只是用关节一样灵活的轴链接两个可以360度灵活转动的“翅膀”。这样的设计,既可以减少风力发电站的占地面积,又可以减少噪音和光污染。萌萌的外观非常讨喜,而且只有一米多长的“翅膀”极大的降低了对鸟类的威胁。不知道你们怎么想,作者是觉得在自家后院里插两个这种风力机是没问题的。 不过,这种风力机是一月份才刚刚生产出来的,现在还在测试阶段呢。

(图片来源于网络)

3. 无扇叶风机(Vortex 公司)--就是一根小棍子抖来抖去

        这家西班牙的风电公司决定不走寻常路,什么扇叶什么翅膀统统都不要,我们有一根弹性十足的小棍子就可以了!这款风力机是利用空气弹性力学(aeroelastic flutter)来发电的。因为没有扇叶和轴等复杂的零件,小棍子风力机的生产成本是传统风力机的一半左右。另外,抖动的小棍子不需要太大的占地面积,也不会产生多少噪音或光污染,更不容易威胁到鸟类的安全。

        最厉害的一点是,小棍子发电机可以捕捉很微弱的风,因为这种风力机小又轻,而且工作原理不同于风车,只要被吹动一点点就可以发电了,这就使它成为了适用范围最广泛的风力机(传统风力机需要在40-72m/s的风速下才能转动,而小棍子只需要1.5-7m/s的风速就可以开心地抖起来了)。小棍子风力机也是2016年才研究出来的,所以目前也在试运行阶段。

(GIF链接 https://i.upworthy.com/nugget/5733a143fd0854001b00022d/attachments/2-aa4067a09d0eb37127599e54962a3fe5.gif?auto=format&fit=max&ixjsv=2.2.4&ixlib=rb-0.3.5&w=630

        好了,强行科普到此结束,大家最喜欢哪款风力机呢?这些风力机的存在并不是因为设计师决定卖个萌,它们是真正带着使命出生的。风力发电尽管有种种 缺陷,但它是目前最有前景的绿色能源。也许没有一款风力机可以做到十全十美,但我们可以因地制宜,选择最合适的机型来尽量减少风力发电带来的负面影响——我们都期待着一个绿色能源全面取代化石能源的新世界。

Reference

Wind power-Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_power

Health, Economy, and Environment: Sustainable Energy Choices for a Nation

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2430245/

Vertical axis wind turbine-Wikipedia

https://en.wikipedia.org/wiki/Vertical_axis_wind_turbine

Buchner, A-J.; Lohry, M.W.; Martinelli, L.; Soria, J.; Smits, A.J. (2015). "Dynamic stall in vertical axis wind turbines: Comparing experiments and computations". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167610515002159

The bizarre hummingbird wind turbine that flaps its giant 'wings' like a bird

http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-4161090/Hummingbird-wind-turbine-flaps-giant-wings.html

These bladeless wind turbines shake to generate electricity

http://www.theverge.com/2015/5/16/8615089/vortex-bladeless-wind-turbines-shake-to-generate-electricity

Fig.1 Wind power plants in Xinjiang, China

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Wind_power_plants_in_Xinjiang,_China.jpg

Fig.2

http://www.gaypatriot.net/category/global-warming/

Fig.3

http://www.boggawind.com/about.html

Fig.4

http://www.alternative-energy-news.info/tree-shaped-wind-turbines-paris/

Fig.5

http://inhabitat.com/revolutionary-flapping-wind-turbine-mimics-hummingbirds-to-produce-clean-energy/tyer-wind-flapping-wind-turbines-2/

Fig.6

http://www.theverge.com/2015/5/16/8615089/vortex-bladeless-wind-turbines-shake-to-generate-electricity

(文章仅代表作者个人观点)


作者简介:

张秦,宾夕法尼亚大学地质系在读硕士,本科毕业于伊利诺伊大学香槟分校地质及环境科学专业

责任编辑:李煜

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