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電腦風扇方向,巨型與小巧的兩極風電技術

互联网 2021-04-11 06:09:31

(2021-03-23)借風發電,無疑是再生能源的主力,風車有其優勢,但在不適合安裝的環境,小型無扇葉風柱或許能彌補一些空缺...

風力發電,有的風車巨大,有的精簡小巧,都是再生能源。(圖片來源:Pixabay)

(2021-03-23)風車發電有幾十年的歷史,像個直立的大電風扇,或者說風電扇,把風力變成電能,與家裡插電變成風的電風扇反向運作。發電風車的設計有如摩天樓,一年比一年高,三十年前僅有40m高,二十年前增高一倍到80m,以後越來越高,十年前120m,五年前145m,電能輸出也從當初的0.5MW,逐漸提升到10MW。

現在建造的更高了,通用電氣GE在法國西岸Sainte Nazaire近海正安裝一個巨無霸,名叫Haliade-X的全球最大風力發電風車,高260m,紐約自由女神像93m的三倍,巴黎艾菲爾鐵塔略高為324m,相當台北101高度(508m)的一半。風車直徑220m、三片扇業每片長107m,這具龐然大物一旦運轉起來,橫掃區域高達38,000m2。

平均與最大產能的容量因子比為61-64%,以14MW的輸出,每年產能為74GMh,可供歐洲16,000個家庭使用,同時節省了52,000公噸的CO2,相當11,000輛汽車的排放量。據GE的解說,超長的扇葉對風速變化的敏感度較小,可以增加運轉的預測性,以及在低風速製造更多輸出。大風車一旦成為氣候,以後的風電廠就用少數大的替代一群小的了。

西班牙的Vortex Bladeless公司與GE相反,往小的發展,有多小?不是小、是沒有,正如公司名稱說的,沒有扇葉,當然就也沒有渦輪等風車的機械,只剩下一根圓柱,迎風發電。

圓柱也能發電?可以,但產能小了一點,僅有同類風車發電的三分之一,因為沒有扇葉不佔地方,又比風車便宜得多,可以密集安裝在一個地區,特別在鄰近居住或偏遠不便的地方,是很好的選擇。這家公司獲歐盟資助,積極開發這一創新的風力取電。

在流體力學裡,有一個稱為漩渦脫離(Vortex Shedding)的現象,當風遇到阻擋的物體,風向的流動就會改變,在通過物體之後製造週期性的漩渦,一旦這一頻率接近物體結構的自然振動頻率,物體就開始擺動,進入與風共振的狀態,產生渦激振動(Vortex Induced Vibration,VIV)效應。

VIV效應在很多領域像結構工程、航太、建築都盡力避免,但在無扇葉發電正好相反,要盡量放大,增加圓柱的擺動,然後將擺動轉換成電能。

這個發電圓柱是一個垂直的中空圓桶,用玻璃纖維處理過的樹脂製成,上面大半截是活動的,可以擺動,下面小半截則固定在地上,圓柱中間有一條從上到下的固定桅杆,固定在地上,以碳纖維處理過的聚合物製成。在圓柱的半截位置,有一個整流器、一個交流發電機、及一個調節系統。圓柱靠風力的擺動,驅動了線圈與磁鐵結構的發電機,產生電能。

漩渦脫離的頻率與風的速度成正例,但物體的結構有自然振的動頻率,要兩個頻率相合製造共振,需隨時調整物體的重量與剛性(Rigidity)來配合風的頻率。

為解決這一複雜問題,研究人員在發電機上使用永久磁鐵,並將磁鐵組件分兩部分安裝,一部份固定在桅杆,另一部份固定在會擺動的圓柱上,每當風速或方向改變,圓柱的彎曲使兩部分磁鐵的距離變更,產生軸向或徑向磁偏振,用來調節圓柱的剛性,臨時改變成與風同步的振動頻率。這一巧妙的自動調節,無論風的變化,圓柱都能維持與風共振的擺動。

簡單輕便的設計,成為自然的環保優勢,不用扇葉渦輪、不需複雜的製造與維護,不需上油,不需處理廢料,也沒有噪音,也不會干擾無線電波。運轉的擺動也不會像風車劇烈,不會影響野生動物與鳥類的生態,即使飛翔中的鳥類也很容易避開。

另外,漩渦脫離所造成的尾流效應有限,兩個圓柱的距離只需高度的一半,所以能在同地密集安裝,而兩具傳統電風車的距離需要高度的五倍。

Vortex Bladeless公司目前發展兩種小型風電設備,打算今年上市,第一種叫Nano,僅有1m高,輸出3W,用在偏遠地區,可放在屋頂與太陽能合用,現Beta試用;第二種Tacoma,2.75m高,輸出100W,僅重15公斤,以小型住宅區、偏遠地區自給供電為主,可與太陽能設備合用,目前仍在發展;另一計畫中的叫Atlantis/Grand,9-13m高,輸出1KW,供住宅與偏遠地區自給供電,或做為大型建築與工廠電源的輔助。

借風發電,無疑是再生能源的主力,風車有其優勢,但在不適合安裝的環境,小型無扇葉風柱或許能彌補一些空缺。風力無限,人的腦力也無限,各種創新的借風技術,一定會越來越多。

本文取材自2021年3月21日「那福忠西海岸數位隨筆(196)」:巨型與小巧的兩極風電技術對本文有任何看法,歡迎 E-Mail:frank.na@gmail.com 給作者,分享您對本文的看法。

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