除了像风车一样，风力发电机还能长成什么样？风机百百种，没有扇叶还可以靠震动发电？！
你有骑车被击落的经验吗?比马路更危险的是，水鸟可能在天上飞着飞着，就被巨大的风机送去投胎。
不是，风机盖那么大干嘛?既然核电有小型核电厂，风电应该也要有小型版吧?
事实上除了大型水平轴式风机外，我们还有转向不同的垂直轴式风机、天上飞的高空风力发电机，甚至靠抖抖抖就能发电的风力发电棒。等等，这真的能发电吗?
为何需要新的风力发电技术?
从古巴比伦人和古埃及人的时代，“风”就被视为构成世界的元素之一，因此人类也很早就开始研究如何运用风的能量。古希腊时代，有一款叫做 Heron’s Windwheel 的风琴，就是利用风力驱动风车，并带动帮浦为风琴不间断送风。在这之后，中国和欧洲相继出现各种风车来替人们进行农务工作，例如大家熟悉的荷兰式风车。虽然现在常见的现代风力发电机组个头大很多，但构造与荷兰式风车没有太大差异，都是扇面垂直于地面，并且扇叶转轴和风向平行的水平轴式风车结构。但这种已经用了几百年的风车设计，真的是最理想的发电方式吗?有没有更新颖的设计构造可以用来捕捉更多风能呢?
Heron’s Windwheel。图/wikimedia
荷兰式风车。图/wikimedia
先来说说大家熟悉的水平轴式风车，国际间最普遍的风力发电机组是三叶式的水平轴。你曾经好奇，为什么扇叶是三叶的吗?或是不知不觉就认为，三叶就是最正常的结构?既然推动风车的力量来自于扇叶，不是越多扇叶就能获得更多能量吗?而且看看风车，扇叶的面积明明就不大，旁边都是空隙，这些能量不是浪费了吗?实际上也确实不是越多扇叶越好，其中牵涉到许多复杂的因素。简单来说，更多的叶片会带来更多的风阻，也会降低叶片旋转的速度，因此从三叶增加到四叶或五叶所带来的效率成长非常少。也就是你如果有 12 支扇叶，4 座三叶发电机的发电量，会高于 3 座四叶发电机的发电量。因此，在单支风机的建设成本就是亿元起跳的情况下，三叶成为最佳选择。
对了，虽然更多叶的风机较少见，但反过来说，还真的有双叶片，甚至单叶片的机组设计。毕竟较少的叶片代表较低的建造成本，以及较快的转速。但是，单一叶片在旋转时并不稳定，需要在对面方向额外加装重物来平衡重量，显得多此一举。那双叶呢?它的问题在于扇叶角度在随风向调整时，容易产生震动而不稳定，对扇叶和机组的强度要求也更高。在综合因素考量下，现在大多数的风电机组都是采用三个叶片的设计。
有水平轴式风车，就有垂直轴式风车，也就是转轴与风向平行的风车。为什么要设计成垂直的呢?因为比起水平轴发电机有一个特定的面风向。垂直轴的优势在于不论风来自哪个方向，它都可以发电，不需要特别转向;此外，它也不需要水平轴式风车长长的扇叶，相对不占空间，甚至能做成各种美感十足的设计。这几个优点让它特别适合设置在都会区中，用来捕捉方向不固定的小规模气流。
垂直轴风机叶片的型态多样且美观。
不过城市内的风毕竟还是有限，为路灯或是小型家电发发电可以，但要能成为支撑整个城市的电力，还不及海上那些水平轴式巨无霸。在外海，不仅可以设置叶片长度超过 100 米的巨型风机，外海的风能，就是比内陆强烈且稳定。但这些巨无霸虽然会为我们带来战力，也会波及无辜。虽然风机远离人类居住的地方，但外海还是有其他原始住民的，短暂地把人类的文明，建立在其他物种的痛苦之上 最后还是会害到整体。然而，巨大风机施工和运转的噪音会干扰到海中生物，扇叶旋转还会击落蝙蝠和鸟类。虽然我们在上一集，有提到可以透过驱离或是扇叶涂黑的方式，让其他生物注意到风机的存在，进而减少误伤。但我们有没有全新的设计，可以一劳永逸?
风力发电还能长什么样?
面对目前风力发电的困境，有人重新思考风力发电的构造，提出全新的设计。其中一种便是漂浮式的离岸风电机组。
我们为了获得更多风能，近年来积极发展离岸风电厂，作法非常简单，就是把原本在陆地上的风电整根插到海床上。这光想起来就是非常浩大的工程旷日废时，而且成本高，施工过程中产生的水底噪音也会影响到海洋生态。
可是海上的风就是比陆地上强上好几倍，这么香的风力来源怎么能放着不用呢?来自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一种浮标式风电机组，省去了海底工程的麻烦。这种风电机组采用垂直轴的设计，这样机组就不会被海风吹着跑。整个装置可以靠着海面下的配重平衡地直立在海面上，除了电缆之外不须要任何固定措施。这大大地扩展了离岸风电的发展空间。许多最佳的风场位在离岸较远的深海区域，我们没办法在这些海床上竖立巨大的水平轴风车，这时候就可以透过漂浮式构造来扩张风电的势力范围。
反转式直立涡轮（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。图/World Wide Wind
不只如此，最特别的是，它是以两组旋转方向相反的叶片组成，因此被取名为反转式直立涡轮（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。这么做不只可以让旋转时更加稳定，还可以增加发电效率。由于发电用的涡轮是透过两组扇叶之间的相对旋转来发电，所以反向旋转就像是用双手拧毛巾一样，等于收集到几乎两倍的能量。而且因为上下两组扇叶所接收的风来自水平方向，所以彼此干扰并不大，展现了垂直轴风电的独特优势。一般的水平轴风车可没有办法玩这套，因为风在流过第一组叶片之后就会变成速度较慢的乱流。
垂直轴提供了新选择，但只要有轴，发电机就是会旋转，还是有机会击落海面上飞行的生物。如果要不伤及鸟类，看来……只能让风机不旋转了吗?等一下，风机不旋转还能发电吗?诶，还真有可能。一家西班牙的新创能源公司 Vortex Bladeless 在几年前开发出了全新的“涡流”发电技术，就是这根抖动的棒子。
不要怀疑，这个像摇头娃娃一样左右震动的棒子是一种完全不需要扇叶的涡流震动发电机。奇怪了，为什么风吹会造成这种震动呢?原来当有空气流经过圆柱状的物体时，会在后方形成不稳定的涡流，让物体产生左右震动的现象。如果振动频率刚好和物体的自然频率接近，便会产生出乎意料的强大共振。1940 年代，有座位在美国的塔科马海峡吊桥，就是因为气流共振导致扭曲断裂，所幸最后无人伤亡。这个威力强大的现象如今也被拿来进行发电。
塔科马海峡吊桥与气流共振。
而这根风力发电棒的尺寸和材质，都经过特别设计来和涡流产生共振。它的上半部可以自由的晃动，位于底部的磁铁和线圈接着可以将震动转换为电能。这种设计不只看起来很有趣，产生的噪音也小很多，还能减少对鸟类的威胁。甚至因为没有快速转动的叶片，也能设置在靠近人群的都市环境中。目前一根约三米高的装置，在有风的情况下可以产生一百瓦的电力。想象一下，只要把高速公路分隔岛上排满这种震动发电机，就能产生很可观的电能。对了 这就像一个人订阅泛科学看似影响不大，但如果每个人都同时按下订阅泛科学，就能给我们莫大的支持与力量，麻烦各位了，跟我们一起共振吧!
话说回来，这种振动发电的转换效率终究是比涡轮旋转发电低，能够捕获的风量也较少。它的竞争优势则在于较低的建造和维护成本，或许适合和太阳能互补为住家和都市地区提供电能。此技术已经在多年前证明可行，但目前在设计与量产方面仍处于开发阶段，还须要更多的时间和资金才有办法进入大规模生产。
讲完了海上与陆地上的风机，最后，既然要靠风发电，那么风能最丰沛的高空，能不能也来发电一下呢?
高空的发电量会更高吗?
最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 这家公司尝试这个做法。他们将风电机组装在氦气的飞船中央，放到离地表三百到六百米的高空。在这高度的风速比地表快上两倍左右，由于风能正比于风速的三次方，所以风能是地面的八倍。这些风能会在高空就转为电能，之后透过缆线传回地上。除了电缆以外，也会有几条固定缆线可让地面人员控制气球的高度与方向。
图/Altaeros Energies
除了用氦气球搭载发电机外，也有一些设计是透过风筝来将小型风电机组放到空中，形成随到随用的风力发电装置。不过可以想象的是，虽然高空发电可以节省地面空间，还能取得丰沛的风能。但不论是汽球还是风筝，在维护上肯定需要投入更多的成本。如果要大规模设置，对于鸟类或是飞安的影响又是另外一个问题。目前，这些浮空风电装置最大的优势是它们绝佳的机动性，可以为远离电网的偏远地区，或是临时性的研究站提供电力。又或是如果在大型演唱会的上空放一颗风力发电气球来为活动供电，那好像也是挺浪漫的。
图/wikimedia
虽然今天讲到那么多有创意的设计，但大多数的新创能源公司，都会因为现实上的竞争力不足而永远停留在模型阶段，还无法进入商业化生产。短期内的风力能源，还是得靠兴建更多岸上和离岸的大型风电机组来扛起。不过，未来再生能源的需求只会持续地增加，我们确实需要有更多新想法、新设计，尤其是能广泛设置，同时对环境影响低的新型态发电方式。而随着材料科学的进步，当这些新设计的成本下降，我们就有机会在生活周遭看到它。
最后也想请大家预测一下，20 年后风力发电的主力会是哪一种装置呢?
漂在海面上的反转式直立涡轮，感觉技术成熟后，施工成本可以降到很低
涡流震动发电棒，对环境伤害小，又不挑地方到处都能设置，积少成多
大型水平轴风机技术还是最成熟 成本也不断破底，估计还是发电主力
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