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一根竿子發電 屋頂變身風電場

香港知识产权交易所

一根三公尺的直立竿子,就是一座風力發電機。 體積更小、更安靜,且不傷害鳥兒。 未來家家戶戶的屋頂不只可以放太陽能板,也可裝設風機。

沿著台灣西部濱海公路行駛,沿途會見到不少矗立在海邊、十幾層樓高的巨大白色風力發電機。
靠近風機塔座,都可以聽到風機發出「嗡嗡嗡」的聲音。這是發電機頂端的三片巨大風車葉片在強勁海風的帶動下,緩緩轉動,帶動風機內的發電機發電,所產生的低頻噪音。
風力發電技術的發明,是為了帶給人類乾淨永續的能源,逐漸取代高污染、大量消耗礦物資源的石化能源,可以減少溫室氣體排放、減緩全球暖化等人類面臨最嚴峻的問題。
但是,風機塔座體是巨無霸,太佔地方,且發電成本太高,只能依靠各國政府大量資金補貼,才能持續發展。二十幾年下來,雖然發電量持續增加、發電效率不斷提升,至今還是難以大幅提升風電佔總發電量的比重。
不時還會遇到環保團體或興建地點居民,抗議風機噪音和對鳥類的傷害。
就在風電面臨瓶頸的這幾年,一家西班牙新創公司Vortex Bladeless的新奇發明,顛覆了風電的傳統發電模式。超低成本和對環境幾乎零衝擊的特點,很有可能為這個綠色能源帶來突破性的發展。
Vortex的新發明,就是沒有風車葉片的小型風力發電機,外型看起來就像一支細細長長的巨大甜筒或竹竿。
這聽起來很不可思議,一根細長的圓柱體,沒有風車葉片,要如何發電?
原來,Vortex風力發電機,是利用風吹過圓柱形風機,形成渦流所產生的震動,讓風機擺動。這個擺動力,可以帶動風機內的交流發電機發電。

運用吹斷大橋的能量
Vortex風機的發明人,是西班牙籍的雅尼茲(David Yanez)。他研發這項技術的靈感,來自於發生在一九四○年,美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋(Tacoma Narrow Bridge)的崩塌意外。
這座長一.六公里的吊橋,因設計不良,當強風吹過吊橋時,橋面會產生擺動。吊橋才通車兩個月,就因晃動幅度愈來愈大,導致整座大橋崩塌。
造成大橋崩塌的原因,是空氣動力學上被稱作「卡門渦列」(Karman vortex street)的效應,是所有建築工程都會遇到的大自然挑戰。
當氣流經過煙囪、高塔等柱狀體時,背風面會產生一股漩渦氣流,讓柱狀體產生震動,如果柱狀體沒有設計抵銷這股震動力的結構,很容易因震動過大導致結構受損,甚至崩塌。
塔科馬吊橋崩塌事件,後來成為所有工程與建築學生學習卡門渦列效應的教材。台北一○一大樓就是利用建築物內巨大的阻尼器,抵銷卡門渦列效應對建築物的影響。
這股所有建築師和工程師絞盡腦汁想要避免的大自然力量,對雅尼茲來說,卻是老天賜予人類最好的能源之一,可以好好利用。
「其實這(卡門渦列效應)是一個將能源從流體轉換到結構上一個很好的方法,」雅尼茲對《MIT科技評論》說。
二○一○年,雅尼茲和好友蘇立歐(David Suriol)、馬丁(Raul Martin)共同成立Vortex Bladeless,開始研發利用卡門渦列效應的風機。
為了讓圓柱形風機能夠穩定擺動,雅尼茲在風機的中間,裝設上下兩個互斥的環形磁鐵,當風帶動風機擺動到一邊,磁鐵的互斥力就會讓風機擺動到另一邊。因此,不需要很大的風速,Vortex風機就能持續穩定發電。
風機的外殼,則是使用含有碳纖維與玻璃纖維的複合材料,重量非常輕。
Vortex目前設計了兩款風機,分別為三公尺高、發電量三百瓦,以及十三公尺高、發電量四千瓦。主要銷售目標為新興市場和家用社區市場,分別計劃在今年底和明年開始上市銷售。
風電產業的救星
英國《衛報》認為,Vortex的創新發明很有可能成為風力發電產業的救星,讓風電普及化的阻力變小。
根據國際能源總署(IEA)統計,從一九九○到二○一四年,全球風力發電供給量以每年二五%的高速度成長,僅次於太陽能的增幅,遠遠高於石化能源和水力發電。
可是,在全球總發電量當中,目前太陽能、風電與其他新能源的比重加起來,只不過三.七%。即使是在新能源發展最快的OECD國家,也只佔了六.三%。
可見經過二十幾年的發展,風力發電的規模還是難以大幅擴大、普及,最主要原因,就是傳統風機的興建、維修成本太高,抵銷了技術進步、發電效率提高的效益。
而且,巨大的體積與風機的噪音對生態環境的衝擊,常招來環保團體的反對,苗栗苑裡在一三年就發生了居民反對興建風機的事件。
這些問題,就是Vortex最大的機會與優勢所在。
Vortex共同創辦人蘇立歐解釋,Vortex風機體積小、機械結構很簡單,沒有齒輪等傳動裝置,興建不需要打地基。
所以和傳統風機比較,Vortex製造成本低五三%,管理維修等營運成本低五一%,使得每百萬瓦發電成本比傳統風機低四成,甚至比水力發電、燃氣渦輪發電等一些傳統能源還低。
而且,Vortex風機沒有巨大的風車葉片,幾乎沒有噪音,不會傷害鳥類,對生態環境衝擊非常小。
「這項新技術對環境的衝擊,要看他們如何、在哪裡營運,才能決定。但不使用葉片的設計,的確可以減少對鳥類的傷害,」受英國政府委託審核風電開發案的獨立法人機構英格蘭自然署(Natural England)表示。
這些特點,讓Vortex風機可以裝設在城市中的大樓與自家屋頂上,使用範圍更大,不必像傳統風機只能設置在遠離城市的鄉間、海邊。
「我們就是要把風力發電帶進消費者家中,就像太陽能發電一樣,」蘇立歐說,「Vortex將會像是風電領域的太陽能板。」
看好Vortex未來潛力,包括西班牙石油公司力豹仕(Repsol)在內的政府與投資機構,已經投資Vortex超過一百萬歐元(約三七○○萬台幣)。
全球最大再生能源公司SunEdison、知名商業設計顧問公司IDEO,以及哈佛大學,也已和Vortex展開合作。
Google能源風箏 巴黎鐵塔陀螺風機
像Vortex一樣,科技人研發低成本風電新技術的嘗試,其實一直沒有中斷過。最近幾年,各種小型風機的創新發明不斷,也愈來愈受到各國政府與市場的重視。
最著名的例子,就是二○一三年被Google併購的新創企業Makani Power,開發了會飛的風力發電機——「能源風箏」(energy kite),在巨型風箏上裝設非常輕巧的小型風機。Google計劃,近期就要測試發電量六百千瓦(kW)的能源風箏。
法國巴黎鐵塔在今年三月,裝設了像陀螺一樣垂直旋轉,高度只有五公尺的微型風機,每年發電量預估有一萬千瓦,足夠提供鐵塔的餐廳、紀念品商店與小型展覽廳一整年的用電量。
去年,美國能源部就編列了一三○萬美元的預算,設立「微型風力發電機倡議」(micro wind turbine initiative)基金,資助民間研發五到二五○千瓦的住宅社區型風力發電機。
不過,一些專家認為,微型風機的能源轉換效率不夠高,將是致命傷。以Vortex為例,能源轉換率約七○%,比傳統風機低三成。
而且,《MIT科技評論》認為,未來為了提高發電量,可能會增加風機高度。但高空的強風和亂流會讓氣流不穩定,導致風機擺動頻率變亂,降低發電效率。
儘管商業化後的結果還是未知數,但Vortex的技術至少為人類擴大使用潔淨能源,提供了一個突破瓶頸的新機會。
「任何人認為現有的傳統風機,就是我們能做到最好的風力發電方式,都是缺乏願景的人,」加州理工學院空氣動力學教授戴伯里(John Dabiri)強調。
日期: 14/10/2015
來源:天下雜誌第582期

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