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台风|台风能量超过原子弹，我们离台风发电还有多远？

文章来自“科学大院”公众号
作者:郭光星
距离今年第4号台风“黑格比”在我国登陆还不到一周 ， 第5号台风“蔷薇”又生成了 。
台风|台风能量超过原子弹，我们离台风发电还有多远？
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图片来源：中央气象台台风网
【台风|台风能量超过原子弹，我们离台风发电还有多远？】内地的小伙伴可能对“台风”超过原子弹的威力不太熟悉 ， 为此去年中国气象局还曾强行科普过一波~
台风|台风能量超过原子弹，我们离台风发电还有多远？
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@中国气象局微博
消灭台风是不可能的 ， 那能不能考虑大大利用台风一波？借助台风发电 ， 又能降低它的威力？？
风力越大发电越多？大风车怎么运行的？
我们通常看到的或者从各种媒体上了解到的风力发电设备一般长这个样子：
台风|台风能量超过原子弹，我们离台风发电还有多远？
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海边的风力发电机（图片来源：Pixbay）
它的详细名称为上风向三叶片水平轴升力型风力发电机 ， 它是目前主流的风力发电形式 ， 一般简称它为“风力机” 。 它的构造结构看似简单 ， 先在地面立一根柱子 ， 装上发电机 ， 然后在发电机主轴前插三只长长的叶片 ， 一台风力机就这样完成了 。 不过简约的外表下却潜藏着6000多个不同的部件 ， 各种控制机构纷繁复杂 。 最重要的是 ， 当叶片和中心轮毂组成的风轮成为风能的捕获部件时 ， 整个风力发电系统不再遵循普通发电机的运行规律 ， 风轮叶片对应的空气动力学特征成为了风电机组的核心元素 。
台风|台风能量超过原子弹，我们离台风发电还有多远？
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某2MW级风力发电机的功率曲线（图片来源：作者自制）
根据来流风速大小与风电机组机输出功率的关系 ， 大致可以将其运行状态分成四个阶段：
无风静止区（风速在无风与切入风速之间）：无风或来流风速过小 ， 风力机风轮静止或缓慢旋转 ， 此时 ， 发电机未进入运行区间 ， 不产生电流；
功率提升区（风速在切入风速与额定风速之间）：随着风速的增加 ， 风轮进入平稳旋转状态 ， 机组在该区域开始进行发电 ， 并且输出功率随风速的增加逐渐提升；
功率恒定区（风速在额定风速与切出风速之间）：由于发电机本身容量的限制 ， 随着风速持续地增大 ， 风力机的输出功率却保持在一个恒定值（额定功率）；
大风停机区（风速超过切出风速）：当风速继续增大 ， 当超过机组的停机风速时 ， 风力机进行刹车制动 ， 风轮立即停止转动 ， 机组停机停止发电 。
感觉这个曲线有点奇怪呀 ， 风速越大 ， 风能越丰富 ， 能够发的电越多 ， 这正是发电的绝佳机会 。 但风速才刚到25 m/s ， 风力机怎么就停机了？这不是白白浪费了这难得的能量么？
因为 ， 当风速过大时 ， 机组如果未及时采取相关停机操作 ， 它的结局可能会是这样：
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大风车的“车速”太快会发生什么？（图片来源Youtube）
单纯从能量的角度看 ， 风速越大 ， 自然越有利于发电 。 但当风速逐渐增大到威胁机组安全性时 ， 发电已成为一个次要的目的 。 此时空气的快速流动导致机组承受着巨大的压力（风载荷） ， 一旦处理不当 ， 出现上述“飞车”状况 ， 则会酿成叶片折断、整机倾覆等灾难性事故 。
而在台风登陆期间 ， 最危险的因素并不仅仅是强劲的风力 ， 还有混乱多变的风向 ， 而后者对风电机组的威胁更大 。 当风力机觉察到极端风况即将来临时 ， 除了迅速刹车制动 ， 锁定风轮主轴之外 ， 还要果断“认怂” ， 根据风向调转机头 ， 将自身沿来流方向的投影面积降至最小 ， 尽量减小受风面积 。 虽然在地转偏向力的作用下 ， 在我国沿海地区登陆的台风整体沿逆时针方向旋转 ， 但在台风壁外围 ， 其内部的流动却极其紊乱 ， 风向复杂多变 ， 这对机组的控制策略提出了更为严格的要求 。 此外 ， 台风登陆过程往往伴随着短时强降雨 ， 同时产生的闪电和雷暴也会对风力机的可靠性造成极大的威胁 。
2016年台风“杜鹃”的中心风速为57 m/s ， 远远低于风力机设计所能够承受的极限风速 ， 但仍旧出现了大规模叶片折断 ， 甚至出现了整个机组倾覆倒塌的灾难性事故 。
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台风“杜鹃”登陆损坏的风力机
当然 ， 台风并非完全不能够用于发电 。 虽然台风核心区域的威力令风力机闻风丧胆 ， 但台风影响的区域十分广阔 ， 随着沿外围距离的增大 ， 风速会逐渐降低 。 当低于25 m/s时（目前绝大多数风力机的切出风速） ， 此时风力机可以“大快朵颐” ， 充分吸收台风的能量 ， 用于发电 。 例如 ， 2018年台风“安比”在江苏如东境内的最大风力只有9级 ， 它给沿岸的风电场带来了可观的发电效益 。 如果风力机在将来使用力学性能更为优良的材料进行制造 ， 使其突破了25 m/s甚至更高停机风速的限制 ， 在台风肆虐的时刻也能够游刃有余地从容面对 ， 那么距离实现风力发电的目的就又近了一大步 。
横空出世的台风风力发电机
以上介绍的是目前主流的大型水平轴风力发电机的特点 ， 实际上 ， 风力机存在的类型多种多样 ， 只是绝大多数的机型并不适用于发电 。 经历关东大地震及福岛核泄漏事件之后 ， 日本对核电的安全性更加谨慎 。 日本工程师清水淳（Atsushi Shimizu）下定决心开发利用台风发电的风力机 。 在意识到当前主流风力机的局限性后 ， 于是他决定另辟蹊径 ， 组合开发一种全新的风力机类型 。 他于2014年创立了清洁能源公司Challenergy并担任CEO 。 两年后的2016年9月 ， 清水淳对外宣布其成功研发了世界首台台风风力机 ， 这台机组可以承受80 m/s的风速 ， 并且不论台风风向如何变化都能轻松应对 ， 有效地利用台风的能量 。
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台风风力机模型及其发明人清水淳（图片来源：电子发烧友）
这款台风风力发电机有什么魔力使得它能够驾驭台风？
与主流的水平轴风力机不同 ， 这款风力机属于结构安全性相对较高的垂直轴风力机 ， 解决了偏航对风问题 。 此外 ， 与以翼型为外部横截面的传统叶片截然不同 ， 这款风力机叶片外形是光滑的圆柱体 ， 它产生升力的原理来源于流体力学中的“马格努斯效应（Magnus effect）” ， 即一个在流体中转动的物体(如圆柱体）由于物体旋转带动周围流体旋转 ， 使得物体两侧的流体速度发生差异 ， 导致旋转物体能产生一个横向升力 。 通过控制圆柱叶片绕中心轴的旋转速度 ， 更加灵活地改变叶片所受的升力 ， 有效地调节风轮的旋转速度 ， 保证机组在高风速下也能够平稳运行 。
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马格努斯效应（图片来源：Challenergy官网）
这台所谓的世界首款台风风力发电机其实并不新奇 ， 它只是将马格努斯效应和垂直轴风力机两种元素组合在了一起 。 马格努斯现象早在1852年就被德国科学家马格努斯发现 ， 并且根据这个原理 ， 在飞机和轮船上开展了大量的探索研究 ， 甚至已经应用于水平轴风力机中 。
Challenergy官网公开的报道显示 ， 清水淳的研究团队正在针对马格努斯垂直轴风力机开展一系列的实验研究 。 在100 kW原型机的初步测试中 ， 风力机的能量转化效率只有近30% ， 远远低于主流风力发电机的发电效率 。 由于这种风力机本身的运行控制方式较为复杂 ， 其功率难以大幅提升 。 因此 ， 这款台风风力机未来大型化的研发道路则会更加崎岖难行 。
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100 kW台风发电机的试验机（图片来源：Challenergy官网）
台风发电？不如考虑低风速发电
每到台风侵袭的季节 ， 台风发电的谣言往往就会吸引人们的注意力 。 但民众普遍对风力发电有一个误解 ， 只有在风大的地方才有必要建造风力发电机 。 风速大小固然是衡量一个风电场效益的重要参数 ， 但该地区风持续的时间（在风电产业中 ， 一般将其称为风能利用小时数）则更为关键 。 虽然平均风速12 m/s和24 m/s两种风况对应的风能相差将近8倍 ， 但对于一些风力机而言 ， 其单位时间内产生的电量却是相同的 。 其实风力机在3m/s的风速下就可以运行了 ， 并且现在的机组已经完成了向低风速型进行过渡的技术转变 ， 在年平均风速的地区也有可能获得可观的发电量 。
总而言之 ， 虽然我们目前尚不能完全利用台风进行发电 ， 但这个目标并非遥不可及 。 当然 ， 清水淳团队所研发的风力机实现了台风发电的目的 ， 这项成果的确会产生一定的科研价值 。 它会使得风力发电的技术水平迈上一个更高的阶梯 。 但在实际工程应用上 ， 台风发电最为关键的问题并不在于技术的可行性 ， 而是安装运维成本、制造技术水平、能量利用效率、运行安全性、经济收益等多个因素的综合考量 。 通过利用偶尔“拜访”的台风显然不能保证长期稳定的发电量 ， 这种技术策略并不具有理想的收益 ， 缺乏商业化开发的价值 。 因此 ， 台风发电在未来很长的时间内不会成为主流的发电形式 。
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