我們離颱風發電還有多遠?

距離今年第4號颱風「黑格比」在我國登陸還不到一周，第5號颱風「薔薇」又生成了。

圖片來源：中央氣象臺颱風網

內地的小夥伴可能對「颱風」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

消滅颱風是不可能的，那能不能考慮大大利用颱風一波？藉助颱風發電，又能降低它的威力？？

風力越大發電越多？大風車怎麼運行的？

我們通常看到的或者從各種媒體上了解到的風力發電設備一般長這個樣子：

海邊的風力發電機（圖片來源：Pixbay）

它的詳細名稱為上風向三葉片水平軸升力型風力發電機，它是目前主流的風力發電形式，一般簡稱它為「風力機」。它的構造結構看似簡單，先在地面立一根柱子，裝上發電機，然後在發電機主軸前插三隻長長的葉片，一颱風力機就這樣完成了。不過簡約的外表下卻潛藏著6000多個不同的部件，各種控制機構紛繁複雜。最重要的是，當葉片和中心輪轂組成的風輪成為風能的捕獲部件時，整個風力發電系統不再遵循普通發電機的運行規律，風輪葉片對應的空氣動力學特徵成為了風電機組的核心元素。

某2MW級風力發電機的功率曲線（圖片來源：作者自製）

根據來流風速大小與風電機組機輸出功率的關係，大致可以將其運行狀態分成四個階段：

無風靜止區（風速在無風與切入風速之間）：無風或來流風速過小，風力機風輪靜止或緩慢旋轉，此時，發電機未進入運行區間，不產生電流；

功率提升區（風速在切入風速與額定風速之間）：隨著風速的增加，風輪進入平穩旋轉狀態，機組在該區域開始進行發電，並且輸出功率隨風速的增加逐漸提升；

功率恆定區（風速在額定風速與切出風速之間）：由於發電機本身容量的限制，隨著風速持續地增大，風力機的輸出功率卻保持在一個恆定值（額定功率）；

大風停機區（風速超過切出風速）：當風速繼續增大，當超過機組的停機風速時，風力機進行剎車制動，風輪立即停止轉動，機組停機停止發電。

感覺這個曲線有點奇怪呀，風速越大，風能越豐富，能夠發的電越多，這正是發電的絕佳機會。但風速才剛到25 m/s，風力機怎麼就停機了？這不是白白浪費了這難得的能量麼？

因為，當風速過大時，機組如果未及時採取相關停機操作，它的結局可能會是這樣：

大風車的「車速」太快會發生什麼？（圖片來源Youtube）

單純從能量的角度看，風速越大，自然越有利於發電。但當風速逐漸增大到威脅機組安全性時，發電已成為一個次要的目的。此時空氣的快速流動導致機組承受著巨大的壓力（風載荷），一旦處理不當，出現上述「飛車」狀況，則會釀成葉片折斷、整機傾覆等災難性事故。

而在颱風登陸期間，最危險的因素並不僅僅是強勁的風力，還有混亂多變的風向，而後者對風電機組的威脅更大。當風力機覺察到極端風況即將來臨時，除了迅速剎車制動，鎖定風輪主軸之外，還要果斷「認慫」，根據風向調轉機頭，將自身沿來流方向的投影面積降至最小，儘量減小受風面積。雖然在地轉偏向力的作用下，在我國沿海地區登陸的颱風整體沿逆時針方向旋轉，但在颱風壁外圍，其內部的流動卻極其紊亂，風向複雜多變，這對機組的控制策略提出了更為嚴格的要求。此外，颱風登陸過程往往伴隨著短時強降雨，同時產生的閃電和雷暴也會對風力機的可靠性造成極大的威脅。

2016年颱風「杜鵑」的中心風速為57 m/s，遠遠低於風力機設計所能夠承受的極限風速，但仍舊出現了大規模葉片折斷，甚至出現了整個機組傾覆倒塌的災難性事故。

颱風「杜鵑」登陸損壞的風力機（圖片來源：Journal of Wind Engineering

and Industrial Aerodynamics）

當然，颱風並非完全不能夠用於發電。雖然颱風核心區域的威力令風力機聞風喪膽，但颱風影響的區域十分廣闊，隨著沿外圍距離的增大，風速會逐漸降低。當低於25 m/s時（目前絕大多數風力機的切出風速），此時風力機可以「大快朵頤」，充分吸收颱風的能量，用於發電。例如，2018年颱風「安比」在江蘇如東境內的最大風力只有9級，它給沿岸的風電場帶來了可觀的發電效益。如果風力機在將來使用力學性能更為優良的材料進行製造，使其突破了25 m/s甚至更高停機風速的限制，在颱風肆虐的時刻也能夠遊刃有餘地從容面對，那麼距離實現風力發電的目的就又近了一大步。

橫空出世的颱風風力發電機

以上介紹的是目前主流的大型水平軸風力發電機的特點，實際上，風力機存在的類型多種多樣，只是絕大多數的機型並不適用於發電。經歷關東大地震及福島核洩漏事件之後，日本對核電的安全性更加謹慎。日本工程師清水淳（Atsushi Shimizu）下定決心開發利用颱風發電的風力機。在意識到當前主流風力機的局限性後，於是他決定另闢蹊徑，組合開發一種全新的風力機類型。他於2014年創立了清潔能源公司Challenergy並擔任CEO。兩年後的2016年9月，清水淳對外宣布其成功研發了世界首臺颱風風力機，這臺機組可以承受80 m/s的風速，並且不論颱風風向如何變化都能輕鬆應對，有效地利用颱風的能量。

颱風風力機模型及其發明人清水淳（圖片來源：電子發燒友）

這款颱風風力發電機有什麼魔力使得它能夠駕馭颱風？

與主流的水平軸風力機不同，這款風力機屬於結構安全性相對較高的垂直軸風力機，解決了偏航對風問題。此外，與以翼型為外部橫截面的傳統葉片截然不同，這款風力機葉片外形是光滑的圓柱體，它產生升力的原理來源於流體力學中的「馬格努斯效應（Magnus effect）」，即一個在流體中轉動的物體(如圓柱體）由於物體旋轉帶動周圍流體旋轉，使得物體兩側的流體速度發生差異，導致旋轉物體能產生一個橫向升力。通過控制圓柱葉片繞中心軸的旋轉速度，更加靈活地改變葉片所受的升力，有效地調節風輪的旋轉速度，保證機組在高風速下也能夠平穩運行。

馬格努斯效應（圖片來源：Challenergy官網）

這臺所謂的世界首款颱風風力發電機其實並不新奇，它只是將馬格努斯效應和垂直軸風力機兩種元素組合在了一起。馬格努斯現象早在1852年就被德國科學家馬格努斯發現，並且根據這個原理，在飛機和輪船上開展了大量的探索研究，甚至已經應用於水平軸風力機中。

Challenergy官網公開的報導顯示，清水淳的研究團隊正在針對馬格努斯垂直軸風力機開展一系列的實驗研究。在100 kW原型機的初步測試中，風力機的能量轉化效率只有近30%，遠遠低於主流風力發電機的發電效率。由於這種風力機本身的運行控制方式較為複雜，其功率難以大幅提升。因此，這款颱風風力機未來大型化的研發道路則會更加崎嶇難行。

100 kW颱風發電機的試驗機（圖片來源：Challenergy官網）

颱風發電？不如考慮低風速發電

每到颱風侵襲的季節，颱風發電的謠言往往就會吸引人們的注意力。但民眾普遍對風力發電有一個誤解，只有在風大的地方才有必要建造風力發電機。風速大小固然是衡量一個風電場效益的重要參數，但該地區風持續的時間（在風電產業中，一般將其稱為風能利用小時數）則更為關鍵。雖然平均風速12 m/s和24 m/s兩種風況對應的風能相差將近8倍，但對於一些風力機而言，其單位時間內產生的電量卻是相同的。其實風力機在3m/s的風速下就可以運行了，並且現在的機組已經完成了向低風速型進行過渡的技術轉變，在年平均風速的地區也有可能獲得可觀的發電量。

總而言之，雖然我們目前尚不能完全利用颱風進行發電，但這個目標並非遙不可及。當然，清水淳團隊所研發的風力機實現了颱風發電的目的，這項成果的確會產生一定的科研價值。它會使得風力發電的技術水平邁上一個更高的階梯。但在實際工程應用上，颱風發電最為關鍵的問題並不在於技術的可行性，而是安裝運維成本、製造技術水平、能量利用效率、運行安全性、經濟收益等多個因素的綜合考量。通過利用偶爾「拜訪」的颱風顯然不能保證長期穩定的發電量，這種技術策略並不具有理想的收益，缺乏商業化開發的價值。因此，颱風發電在未來很長的時間內不會成為主流的發電形式。