除了像風車一樣，風力發電機還能長成什麼樣？風機百百種，沒有扇葉還可以靠震動發電？！
你有騎車被擊落的經驗嗎？比馬路更危險的是，水鳥可能在天上飛著飛著，就被巨大的風機送去投胎。
不是，風機蓋那麼大幹嘛？既然核電有小型核電廠，風電應該也要有小型版吧？
事實上除了大型水平軸式風機外，我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機，甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等，這真的能發電嗎？
為何需要新的風力發電技術？
從古巴比倫人和古埃及人的時代，「風」就被視為構成世界的元素之一，因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代，有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴，就是利用風力驅動風車，並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後，中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作，例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多，但構造與荷蘭式風車沒有太大差異，都是扇面垂直於地面，並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計，真的是最理想的發電方式嗎？有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢？
先來說說大家熟悉的水平軸式風車，國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸，台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇，為什麼扇葉是三葉的嗎？或是不知不覺就認為，三葉就是最正常的結構？既然推動風車的力量來自於扇葉，不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎？而且看看風車，扇葉的面積明明就不大，旁邊都是空隙，這些能量不是浪費了嗎？實際上也確實不是越多扇葉越好，其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說，更多的葉片會帶來更多的風阻，也會降低葉片旋轉的速度，因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉，4 座三葉發電機的發電量，會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此，在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下，三葉成為最佳選擇。
對了，雖然更多葉的風機較少見，但反過來說，還真的有雙葉片，甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本，以及較快的轉速。但是，單一葉片在旋轉時並不穩定，需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量，顯得多此一舉。那雙葉呢？它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時，容易產生震動而不穩定，對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下，現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。
有水平軸式風車，就有垂直軸式風車，也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣，你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它，我不是指工廠的排風球哦，而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢？因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向，它都可以發電，不需要特別轉向；此外，它也不需要水平軸式風車長長的扇葉，相對不占空間，甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中，用來捕捉方向不固定的小規模氣流，因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。
不過城市內的風畢竟還是有限，為路燈或是小型家電發發電可以，但要能成為支撐整個城市的電力，還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海，不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機，外海的風能，就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力，也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方，但外海還是有其他原始住民的，短暫地把人類的文明，建立在其他物種的痛苦之上 最後還是會害到整體。然而，巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物，扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集，有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式，讓其他生物注意到風機的存在，進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計，可以一勞永逸？
風力發電還能長什麼樣？
面對目前風力發電的困境，有人重新思考風力發電的構造，提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。
我們為了獲得更多風能，近年來積極發展離岸風電廠，作法非常簡單，就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時，而且成本高，施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。
可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍，這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢？來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組，省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計，這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上，除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域，我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車，這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。
反轉式直立渦輪（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。圖／World Wide Wind
不只如此，最特別的是，它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成，因此被取名為反轉式直立渦輪（COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES）。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定，還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電，所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣，等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向，所以彼此干擾並不大，展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套，因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。
垂直軸提供了新選擇，但只要有軸，發電機就是會旋轉，還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類，看來……只能讓風機不旋轉了嗎？等一下，風機不旋轉還能發電嗎？誒，還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術，就是這根抖動的棒子。
不要懷疑，這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了，為什麼風吹會造成這種震動呢？原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時，會在後方形成不穩定的渦流，讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近，便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代，有座位在美國的塔科馬海峽吊橋，就是因為氣流共振導致扭曲斷裂，所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。
塔科馬海峽吊橋與氣流共振。 而這根風力發電棒的尺寸和材質，都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動，位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣，產生的噪音也小很多，還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片，也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置，在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下，只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機，就能產生很可觀的電能。對了 這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大，但如果每個人都同時按下訂閱泛科學，就能給我們莫大的支持與力量，麻煩各位了，跟我們一起共振吧！
話說回來，這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低，能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本，或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行，但目前在設計與量產方面仍處於開發階段，還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。
講完了海上與陸地上的風機，最後，既然要靠風發電，那麼風能最豐沛的高空，能不能也來發電一下呢？
高空的發電量會更高嗎？
最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央，放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右，由於風能正比於風速的三次方，所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能，之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外，也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。
圖／Altaeros Energies
除了用氦氣球搭載發電機外，也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中，形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是，雖然高空發電可以節省地面空間，還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏，在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置，對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前，這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性，可以為遠離電網的偏遠地區，或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電，那好像也是挺浪漫的。
雖然今天講到那麼多有創意的設計，但大多數的新創能源公司，都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段，還無法進入商業化生產。短期內的風力能源，還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過，未來再生能源的需求只會持續地增加，我們確實需要有更多新想法、新設計，尤其是能廣泛設置，同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步，當這些新設計的成本下降，我們就有機會在生活周遭看到它。
最後也想請大家預測一下，20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢？
漂在海面上的反轉式直立渦輪，感覺技術成熟後，施工成本可以降到很低
渦流震動發電棒，對環境傷害小，又不挑地方到處都能設置，積少成多
大型水平軸風機技術還是最成熟 成本也不斷破底，估計還是發電主力
歡迎訂閱 Pansci Youtube 頻道 獲取更多深入淺出的科學知識！
參考資料
#/media/File:DK_Fanoe_Windmill01.JPG){kind=link}
