風起時，不管豬能不能飛上天，靈感一定要性感得飛起
作者：吳彥洋
【引言】
人類對虛無縹緲的風能的利用，跨越萬年。今天的人類世界，是如何征服與利用風能的呢？
【楔子】
1610年，開普勒在給伽利略的信中說，「倘若船和帆能夠捕捉天庭的微風，必將有人勇敢地踏入那片虛無。」
在開普勒寫信不久之前，西班牙無敵艦隊正和英格蘭艦隊在北大西洋的驚濤駭浪中死磕。在決定性的格瑞福蘭海戰中，雖然無敵艦隊被英軍擊退，但並未遭到重大損失。英國人見好就收，但本欲南退的無敵艦隊，卻因颳起強大的南風而不可行，龐大的艦隊只好隨風北漂，繞行英倫三島一周，沿途遭受了嚴重的非戰鬥損失，差點團滅。
狂風的力量，將無敵艦隊埋葬在了北大西洋冰冷海水中，卻激發了一位無敵艦隊水手的創作激情。在地中海與土耳其人的海戰中，塞萬提斯的左手徹底殘廢，在生命的最後一段時光里，他將全部的熱情傾注在文學創作中。1605年，在伊比利亞半島中部一所小房子里，《堂吉訶德》橫空出世。
而彼時，在地球的另一端，正是著名的明朝萬曆年間。萬曆二十二年，得扶桑浪人相助的東方不敗，正在黑木崖大戰任我行、令狐沖與向問天。後人記載，云：「東方不敗身子越轉越快，一團紅影滾來滾去。任我行、向問天、令狐沖連聲吆喝，聲音中透著又是憤怒，又是惶急……風聲大作，東方不敗卻不發出半點聲息。」不愧風一般的男子（女子？），天下武功，唯快不破。看來，幻化成風、御風而行，正是東方武學至高追求之境界——怪不得令狐沖的師父，叫風清揚。
咳咳，一不小心穿越了。Anyway，回顧前工業時代的人類，無論東方還是西方，在大自然的力量面前是如此渺小。年少讀《堂吉訶德》時，印象最深的便是堂吉訶德大戰風車這段。高聳在郊野上的數十架風車，被騎士大人認為是邪惡的巨人，不顧桑丘的再三勸阻挺槍衝去，結果重重地摔在地上。也許，在塞萬提斯內心深處，對風的難忘記憶最終幻化為對其驅使之下風車的個人英雄主義式挑戰。事實上，不論是浪漫如莊子口中「御風之列子」，還是瀟洒如蘇軾之「欲乘風歸去，又恐高處不勝寒」，對風的駕馭，一直是東西方文明共同的渴望。
【腦洞很大的丹麥人】
我們今天所處的這個時代，隨著風力渦輪發電技術的成熟，早已實現了對風能的大規模利用。在中國，風能已經成為僅次於煤炭和水能的第三大發電能源。作為目前技術最成熟、最具規模化開發條件和商業化發展前景的新能源，風電已成為中國戰略性新興產業，且隨著一系列產業政策的相繼出台，未來發展空間極為廣闊。世界風電行業最新數據顯示，中國風電裝機容量已達到1.451億千瓦，約佔全球的三分之一，超越歐盟成為全球最大的風電生產國。
作為風－電能量轉換的重要道具, 風車的模樣想必大家都不陌生, 其中人民群眾最喜聞樂見的應該就是水平軸三葉風力發電機了。傳統的水平軸三葉風力發電機長這樣：
丹麥海上風力發電機組，圖片來源網路
今人提起風電，言必稱丹麥。不過丹麥人對現狀依然表示不滿意——好不容易豎起了一個那麼高的鐵柱子，才裝一個渦輪機，太浪費了！於是有了下面這個設計方案……
近日，丹麥Vestas公司宣布正和丹麥技術大學（DTU）對這個風機設計方案進行驗證。公司高級副總裁信心滿滿，宣稱要「通過挑戰尺度規則，開發出更加經濟高效的渦輪機組」。
嗯，不愧是童話王國，丹麥人果然腦洞很大，總是喜歡整一些大尺度的東西，動不動就搞出一個大新聞。
【簡單粗暴的美國人】
當然，在老美眼裡，這都是na?ve的歐洲人在玩過家家，咱要搞就要搞個拉轟的。（圖片來自官網，作者進行了翻譯）
這是美國的Sheerwind公司正在研發的一個項目，簡單來說，就是個風力收集加速裝置。風從頂端的窗口進入後，拐進漏斗中，由於管徑收縮，氣流開始加速，並利用文丘里效應在底部出風管道收腰處（管道第3-4段）達到風速峰值，發電渦輪機組就設在這一段，一共串聯安置了3部渦輪機。任爾東西南北風，我自照單全收。其優勢在於低風速的情況下，也能工作。同時，因為任意方向的風都能被收集，所以也不需要安裝傳統水平軸風力發電機必需的風向感應調節裝置。另外，由於原來霸氣外露的巨大渦輪葉片被隱藏在了管道內部，也會大大降低對鳥類的傷害。至於其他的優勢，諸如輸出功率大幅上升、佔地面積減少、維護成本較低等數據，大家盡可以去其官網圍觀——但一句話，因為正處於融資階段，所以網站上那些數字不可盡信。
不過我看完倒是有個擔心，不知道這個裝置運行起來噪音多大，尤其在風速比較高的情況下。因為看介紹說這個龐然大物都是建在居民區里，以解決普通居民生活用電需求。在氣動聲學中，一個經典的問題便是「空腔流場氣動雜訊問題」。在上圖裝置2和3之間存在一個巨大空腔（上圖底部那白色膨大的腹部），高速的氣流在經過這個空腔時，一頭撞在了半徑迅速收縮的管道段（文氏管）架設的風機葉片懷中，心中泛起了漣漪。本來心平如水的層流，頓時產生了無數漩渦。剪切層中的漩渦，情緒是不穩定的，如小鹿亂撞一般，一部分氣流漩渦產生了脫落，跑到了管道外，就成了我們能聽到的聲波；另一部分沒有找到出路的，則繼續在管道內亂撞，進一步激發了流動與聲波的共振。
空腔流場氣動雜訊產生原理圖
另外，即使沒有渦輪機的阻撓，腔體本身的聲學特性，使得內在流體可以自激振動，簡單來說就是聲學共振，通俗說法就是共鳴。
上面的描寫看不懂沒關係，博大精深的漢語，用一個字來描述這種孔穴空腔發聲現象，謂之「籟」。
《莊子·齊物論》有云：
子游曰：「地籟則眾竅是已，人籟則比竹是已，敢問天籟。」
（子遊說：「地籟就是風吹眾竅發出的聲音，人籟就是人吹竹製樂器發出的聲音。那請問天籟是什麼！」）
我的偶像吃貨蘇東坡先生則對這一現象進行了深入研究。大家中學時代都學過一篇必修的文言文( 就是要背誦默寫的意思 )——《石鐘山記》, 正是蘇老爺子所寫。講的是鄱陽湖湖口有座山名曰石鐘山, 酈道元認為山名由來是因為「微風鼓浪，水石相搏」，唐朝有個叫李渤的, 在山下發現兩塊石頭, 敲了敲餘音裊裊, 像撞鐘一樣，因此認為山名是這麼來的。蘇軾實地探訪後, 寫道：
徐而察之，則山下皆石穴罅，不知其淺深，微波入焉，涵淡澎湃而為此也。舟回至兩山間，將入港口，有大石當中流，可坐百人，空中而多竅，與風水相吞吐，有窾坎鏜鞳之聲，與向之噌吰者相應，如樂作焉。
這應該是我知道的最早關於「空腔流場氣動雜訊問題」的描寫了。但我遍尋上文所述Sheerwind公司官網，也沒看到一字一句關於噪音問題的描述和數據，也不知道是刻意避而不談，還是在低風速的情況下噪音水平是在一個可接受範圍內就不得而知了。總的來說，雖然無法估計雜訊的大小，但在居民區附近建這麼一大號穩定的雜訊源，實際運行時周邊居民怎麼都不會無視的吧。
【西班牙人的黑科技】
不過上面講了那麼多，都只能算是開胃前菜，下面的這個風力發電裝置才是真正的黑科技。
在塞萬提斯寫完《堂吉訶德》整整400年後，在西班牙這片土地上，誕生了一個叫VortexBladeless的牛逼公司。牛逼在哪裡呢？因為他們搞出了下面這個東西：
全球第一個商業化無葉片風力發電機組成的風力田
圖片來自公司官網
我從未見過如此無翅之風車！
呼風喚雨的諸葛孔鳴先生對此表示嘆為觀止
要理解一個簡單的棒槌如何能發電，首先你要學習一個概念，叫做「渦激振動」。在搞懂渦激振動前，你還需要理解一個現象，叫做「卡門渦街」。不過不要著急，在搞明白「卡門渦街」之前，讓我們先一起欣賞一副畫：
這幅畫由康拉德·維茨所繪，描述的是聖克里斯多福正背負著化身為兒童的耶穌渡河。畫中紅色圓圈的部分，聖克里斯多福的腳跟在河水中造成兩排交錯的旋渦，即為「卡門渦街」現象。
卡門渦街（Kármán Vortex Street）指流體繞過非流線形阻流體時，流體從阻流體兩側剝離，產生的成對的、交替排列的、旋轉方向相反的反對稱渦旋，如街道兩邊的街燈般，故名渦街。
卡門渦街示意圖
這種現象，因著名的空氣動力學家西奧多·馮·卡門（錢學森導師）最先從理論上闡明而得名卡門渦街。
卡門渦街是如此著名，以至於1997年匈牙利發行的馮·卡門紀念郵票，即以卡門渦街為背景
流體繞流高大煙囪、高層建築、電線、油管道和換熱器的管束時都會產生卡門渦街。
NASA拍攝的智利海岸的胡安·費爾南德斯群島周圍的風引起的卡門渦街
這種交替的渦流，使阻流體兩側流體的瞬間速度不同。流體速度不同，阻流體兩側受到的瞬間壓力也不同，因此使阻流體發生振動，即所謂的渦激振動。阻流體即固體結構（如迎風的高層建築、水中的橋樑）本身也有自然頻率的，當這兩個頻率接近時，即渦激振動的頻率與物體本身的自然頻率接近時，即發生共振，共振是地震或狂風來臨時誘發建築物坍塌的最主要原因。因此，在現實中我們都是要盡量破壞渦激振動的產生，從而避免共振現象的出現。但腦洞大開的Vortex Bladeless公司，反其道而行之，將風能通過渦激振動轉化為振動機械能，並通過風電機底座的轉換器變為電能。
總的來說，雖然無翅單機效率要低於傳統的大型水平軸風電渦輪發電機，但優勢也很明顯：
一是便宜，因為省了最貴最複雜的葉片驅動傳動系統，能極大降低安裝和維護的成本；二是結構簡單，佔地面積小，因此可以小範圍內高密度建設；三是沒有了高速旋轉的葉片，不會傷害到自由飛翔的小鳥們。
雖然看起來很美好，但在我看來，未來需要考慮的問題也不少：
因為此類無翅風力發電機單機效率不如有葉片風機, 如果靠高密集分布來彌補單機功率的不足, 需要考慮會在多大程度上因為這一分布而消弱風力, 即雖然「韓信點兵多多益善」，但合理的排兵布陣始終是第一位考慮的問題。
其次，高頻率振動對材料柔韌性和機械強度又提出了更高的要求。卡門渦街頻率與流體速度和阻流體（旋渦發生體）寬度有如下關係：
f=Sr·V/d
其中：
f=卡門渦街頻率
Sr=斯特勞哈爾數（約為0.2）
V=流體速度
d=阻流體迎面寬度
根據Vortex Bladeless公司官網的照片，我把無翅風機棒槌部分平均直徑設為40cm，在每小時90公里（每秒25米）的風速下，卡門渦街頻率為：
f=0.2·25/0.4=12.5 Hz
即在時速90公里的風速情況下，棒棒們在風中的搖晃頻率約為每秒12～13次之多，接近蜻蜓翅膀振動的頻率。在這樣的頻率下，振動引發的材料疲勞，應該是未來Vortex Bladeless公司需要認真解決的問題。
另一個重要的問題就是，這些棒棒往地里一杵，實在太像墳頭上香了……不知道未來在東亞市場推廣錢景如何……而且，傳統的水平軸葉片風電機因為造型美觀，是無數文藝青年拍照的絕佳背景選擇。但現在一旦風起，無數個棒棒集體在地面磕搖頭丸，拍出來的效果應該是這樣的：
也許是考慮到了拍照的問題，貼心的公司在官網上給出了閃亮的自定義塗裝：
仔細一想，那畫面實在太美。不過想到人類在利用風能的道路上越走越遠，我還是欣慰地晃了晃腦袋。
（作者簡介：吳彥洋，世界銀行環境分析師，可道創始人，曾任職於世界自然基金會，中國環保部）
可道
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凝聚全球華人學者的智慧；實踐大眾參與和政策支持。
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