作者：吴彦洋（世界银行）

【引言】

人类对虚无缥缈的风能的利用，跨越万年。今天的人类世界，是如何征服与利用风能的呢？ 

在开普勒写信不久之前，西班牙无敌舰队正和英格兰舰队在北大西洋的惊涛骇浪中死磕。在决定性的格瑞福兰海战中，虽然无敌舰队被英军击退，但并未遭到重大损失。英国人见好就收，但本欲南退的无敌舰队，却因刮起强大的南风而不可行，庞大的舰队只好随风北漂，绕行英伦三岛一周，沿途遭受了严重的非战斗损失，差点团灭。

狂风的力量，将无敌舰队埋葬在了北大西洋冰冷海水中，却激发了一位无敌舰队水手的创作激情。在地中海与土耳其人的海战中，塞万提斯的左手彻底残废，在生命的最后一段时光里，他将全部的热情倾注在文学创作中。1605年，在伊比利亚半岛中部一所小房子里，《堂吉诃德》横空出世。

而彼时，在地球的另一端，正是著名的明朝万历年间。万历二十二年，得扶桑浪人相助的东方不败，正在黑木崖大战任我行、令狐冲与向问天。后人记载，云：“东方不败身子越转越快，一团红影滚来滚去。任我行、向问天、令狐冲连声吆喝，声音中透着又是愤怒，又是惶急……风声大作，东方不败却不发出半点声息。”不愧风一般的男子（女子？），天下武功，唯快不破。看来，幻化成风、御风而行，正是东方武学至高追求之境界——怪不得令狐冲的师父，叫风清扬。

咳咳，一不小心穿越了。Anyway，回顾前工业时代的人类，无论东方还是西方，在大自然的力量面前是如此渺小。年少读《堂吉诃德》时，印象最深的便是堂吉诃德大战风车这段。高耸在郊野上的数十架风车，被骑士大人认为是邪恶的巨人，不顾桑丘的再三劝阻挺枪冲去，结果重重地摔在地上。也许，在塞万提斯内心深处，对风的难忘记忆最终幻化为对其驱使之下风车的个人英雄主义式挑战。事实上，不论是浪漫如庄子口中“御风之列子”，还是潇洒如苏轼之“欲乘风归去，又恐高处不胜寒”，对风的驾驭，一直是东西方文明共同的渴望。

作为风－电能量转换的重要道具, 风车的模样想必大家都不陌生, 其中人民群众最喜闻乐见的应该就是水平轴三叶风力发电机了。传统的水平轴三叶风力发电机长这样：

丹麦海上风力发电机组，图片来源网络

今人提起风电，言必称丹麦。不过丹麦人对现状依然表示不满意——好不容易竖起了一个那么高的铁柱子，才装一个涡轮机，太浪费了！于是有了下面这个设计方案……

近日，丹麦Vestas公司宣布正和丹麦技术大学（DTU）对这个风机设计方案进行验证。公司高级副总裁信心满满，宣称要“通过挑战尺度规则，开发出更加经济高效的涡轮机组”。

嗯，不愧是童话王国，丹麦人果然脑洞很大，总是喜欢整一些大尺度的东西，动不动就搞出一个大新闻。

当然，在老美眼里，这都是naïve的欧洲人在玩过家家，咱要搞就要搞个拉轰的。（图片来自官网，作者进行了翻译）

这是美国的Sheerwind公司正在研发的一个项目，简单来说，就是个风力收集加速装置。风从顶端的窗口进入后，拐进漏斗中，由于管径收缩，气流开始加速，并利用文丘里效应在底部出风管道收腰处（管道第3-4段）达到风速峰值，发电涡轮机组就设在这一段，一共串联安置了3部涡轮机。任尔东西南北风，我自照单全收。其优势在于低风速的情况下，也能工作。同时，因为任意方向的风都能被收集，所以也不需要安装传统水平轴风力发电机必需的风向感应调节装置。另外，由于原来霸气外露的巨大涡轮叶片被隐藏在了管道内部，也会大大降低对鸟类的伤害。至于其他的优势，诸如输出功率大幅上升、占地面积减少、维护成本较低等数据，大家尽可以去其官网围观——但一句话，因为正处于融资阶段，所以网站上那些数字不可尽信。

不过我看完倒是有个担心，不知道这个装置运行起来噪音多大，尤其在风速比较高的情况下。因为看介绍说这个庞然大物都是建在居民区里，以解决普通居民生活用电需求。在气动声学中，一个经典的问题便是“空腔流场气动噪声问题”。在上图装置2和3之间存在一个巨大空腔（上图底部那白色膨大的腹部），高速的气流在经过这个空腔时，一头撞在了半径迅速收缩的管道段（文氏管）架设的风机叶片怀中，心中泛起了涟漪。本来心平如水的层流，顿时产生了无数漩涡。剪切层中的漩涡，情绪是不稳定的，如小鹿乱撞一般，一部分气流漩涡产生了脱落，跑到了管道外，就成了我们能听到的声波；另一部分没有找到出路的，则继续在管道内乱撞，进一步激发了流动与声波的共振。

空腔流场气动噪声产生原理图

另外，即使没有涡轮机的阻挠，腔体本身的声学特性，使得内在流体可以自激振动，简单来说就是声学共振，通俗说法就是共鸣。

上面的描写看不懂没关系，博大精深的汉语，用一个字来描述这种孔穴空腔发声现象，谓之“籁”。

《庄子·齐物论》有云：

（子游说：“地籁就是风吹众窍发出的声音，人籁就是人吹竹制乐器发出的声音。那请问天籁是什么！”）

我的偶像吃货苏东坡先生则对这一现象进行了深入研究。大家中学时代都学过一篇必修的文言文( 就是要背诵默写的意思 )——《石钟山记》, 正是苏老爷子所写。讲的是鄱阳湖湖口有座山名曰石钟山, 郦道元认为山名由来是因为“微风鼓浪，水石相搏”，唐朝有个叫李渤的, 在山下发现两块石头, 敲了敲余音袅袅, 像撞钟一样，因此认为山名是这么来的。苏轼实地探访后, 写道：

这应该是我知道的最早关于“空腔流场气动噪声问题”的描写了。但我遍寻上文所述Sheerwind公司官网，也没看到一字一句关于噪音问题的描述和数据，也不知道是刻意避而不谈，还是在低风速的情况下噪音水平是在一个可接受范围内就不得而知了。总的来说，虽然无法估计噪声的大小，但在居民区附近建这么一大号稳定的噪声源，实际运行时周边居民怎么都不会无视的吧。

在塞万提斯写完《堂吉诃德》整整400年后，在西班牙这片土地上，诞生了一个叫VortexBladeless的牛逼公司。牛逼在哪里呢？因为他们搞出了下面这个东西：

全球第一个商业化无叶片风力发电机组成的风力田

图片来自公司官网

我从未见过如此无翅之风车！

呼风唤雨的诸葛孔鸣先生对此表示叹为观止

要理解一个简单的棒槌如何能发电，首先你要学习一个概念，叫做“涡激振动”。在搞懂涡激振动前，你还需要理解一个现象，叫做“卡门涡街”。不过不要着急，在搞明白“卡门涡街”之前，让我们先一起欣赏一副画：

这幅画由康拉德·维茨所绘，描述的是圣克里斯多福正背负着化身为儿童的耶稣渡河。画中红色圆圈的部分，圣克里斯多福的脚跟在河水中造成两排交错的旋涡，即为“卡门涡街”现象。

卡门涡街（Kármán Vortex Street）指流体绕过非流线形阻流体时，流体从阻流体两侧剥离，产生的成对的、交替排列的、旋转方向相反的反对称涡旋，如街道两边的街灯般，故名涡街。

卡门涡街示意图

这种现象，因著名的空气动力学家西奥多·冯·卡门（钱学森导师）最先从理论上阐明而得名卡门涡街。

卡门涡街是如此著名，以至于1997年匈牙利发行的冯·卡门纪念邮票，即以卡门涡街为背景

流体绕流高大烟囱、高层建筑、电线、油管道和换热器的管束时都会产生卡门涡街。

NASA拍摄的智利海岸的胡安·费尔南德斯群岛周围的风引起的卡门涡街

这种交替的涡流，使阻流体两侧流体的瞬间速度不同。流体速度不同，阻流体两侧受到的瞬间压力也不同，因此使阻流体发生振动，即所谓的涡激振动。阻流体即固体结构（如迎风的高层建筑、水中的桥梁）本身也有自然频率的，当这两个频率接近时，即涡激振动的频率与物体本身的自然频率接近时，即发生共振，共振是地震或狂风来临时诱发建筑物坍塌的最主要原因。因此，在现实中我们都是要尽量破坏涡激振动的产生，从而避免共振现象的出现。但脑洞大开的Vortex Bladeless公司，反其道而行之，将风能通过涡激振动转化为振动机械能，并通过风电机底座的转换器变为电能。

总的来说，虽然无翅单机效率要低于传统的大型水平轴风电涡轮发电机，但优势也很明显：

一是便宜，因为省了最贵最复杂的叶片驱动传动系统，能极大降低安装和维护的成本；二是结构简单，占地面积小，因此可以小范围内高密度建设；三是没有了高速旋转的叶片，不会伤害到自由飞翔的小鸟们。

虽然看起来很美好，但在我看来，未来需要考虑的问题也不少：

因为此类无翅风力发电机单机效率不如有叶片风机, 如果靠高密集分布来弥补单机功率的不足, 需要考虑会在多大程度上因为这一分布而消弱风力, 即虽然“韩信点兵多多益善”，但合理的排兵布阵始终是第一位考虑的问题。

其次，高频率振动对材料柔韧性和机械强度又提出了更高的要求。卡门涡街频率与流体速度和阻流体（旋涡发生体）宽度有如下关系： 

根据Vortex Bladeless公司官网的照片，我把无翅风机棒槌部分平均直径设为40cm，在每小时90公里（每秒25米）的风速下，卡门涡街频率为：

即在时速90公里的风速情况下，棒棒们在风中的摇晃频率约为每秒12～13次之多，接近蜻蜓翅膀振动的频率。在这样的频率下，振动引发的材料疲劳，应该是未来Vortex Bladeless公司需要认真解决的问题。

另一个重要的问题就是，这些棒棒往地里一杵，实在太像坟头上香了……不知道未来在东亚市场推广钱景如何……而且，传统的水平轴叶片风电机因为造型美观，是无数文艺青年拍照的绝佳背景选择。但现在一旦风起，无数个棒棒集体在地面磕摇头丸，拍出来的效果应该是这样的：

也许是考虑到了拍照的问题，贴心的公司在官网上给出了闪亮的自定义涂装：

仔细一想，那画面实在太美。不过想到人类在利用风能的道路上越走越远，我还是欣慰地晃了晃脑袋。

（作者简介：吴彦洋，世界银行环境分析师，可道创始人，曾任职于世界自然基金会，中国环保部）