.jpg)
（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...
（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。
