可抵抗最強風暴的風力渦輪機(上集）

日本工程師希望建造能夠抵禦世界上最嚴重颱風的風力渦輪機，即使在天災中也能發電。

海燕颱風來襲時，Mariel Robedizo Engranes 當時是15歲，她住在她的家鄉多洛雷斯，東薩馬，菲律賓東部。該國經常遭遇颱風，但在菲律賓當地被稱為約蘭達的海燕颱風卻是特殊的。它於2013年11月8日抵達，是有史以來最強大的熱帶氣旋之一。

“早上6點前，我聽到媽媽大喊大叫，”Engranes回憶起約蘭達襲擊的那個早晨。“我已經注意到我們房子裡的水了，海浪很大。”

海燕颱風引發了風暴潮，棕櫚樹被高達314公里/小時的大風連根拔起，屋頂被撕毀，超過6,300人在風暴中喪生，還有數千人流離失所。對於那些倖存下來的人來說，電力的缺乏使得重建生活的過程變得更加困難。 Engranes說，她所在的社區在颱風過後兩個月都沒有電。“有些地區甚至三個月的時間都沒電，”她說。“但在正常情況下，就像在海燕之前一樣，我們這裡的電是不穩定的。”

對於菲律賓來說，可靠的電力供應是群島國家許多島嶼面臨的挑戰，而颱風則加劇了這種情況。自然災害過後，恰恰是最需要電力的時候，卻是最難提供的。但另一個易受災害地區，日本，的工程師可能可以給出一個新穎的答案。

位於東京的一家名為Challenergy的新創公司，設計並建造了一台，專門用於在颱風易發地區運行的風力渦輪機。對於Challenergy的創始人兼執行長，清水篤來說，這些強大的風力渦輪機的理想場所，就是像東薩馬這樣缺乏可靠電力的地方。

但最初啟發清水的並不是海燕颱風，而是另一場深深影響了日本人民的自然災害。2011年日本東海岸東北（或仙台）的強烈地震引發了海嘯，這場海嘯吞沒了福島縣大隈市的福島第一核電站，並造成了三起核熔毀。

福島核災導致日本政府放棄了核能，在這之前，54 座核反應爐提供了日本近三分之一的電力，但今天日本的33座反應爐中有24座仍處於關閉狀態。而後果之一，就是該國失去了其作為低溫室氣體排放領導國的令人羨慕地位。

地震發生時，清水正在一家製造傳感器的公司工作。這位41歲的青壯年看到他的國家需要從核能轉型，也覺得有必要開始研究再生能源。

日本的能源消耗總量是世界上最大的國家之一，但只有7.6%來自再生能源，其中87.4%來自石化燃料（2017年的最新結果）。在翻閱了有關再生能源的文章後，他發現日本有很大的風力發電機會，但該國的風力渦輪機卻很少，風電僅佔日本能源總產量的1.5%，清水對這非常的不理解。

日本最大的風力發電開發商之一，Japan Wind Development的專案經理，小林洋子說，有許多障礙阻礙了日本對風能的採用，其中之一就是颱風。2019年，海貝思颱風是幾十年來，襲擊日本大陸的最強和最大的颱風之一。2019年10月9日至13日，海貝思造成超過270,000戶家庭斷電，並在日本造成超過150億美元的損失。

日本的五個主要島嶼中，最南端和最西端的是九州，尤其是位於九州以南的沖繩島鏈，是最容易發生颱風的地方。小林表示，風能公司曾試圖在九州開發風電場，但發現一些地區的風速和亂流都“太強”了。

而正是在這樣的條件下，清水希望他的設計不僅能承受高風速，還能利用它們的力量。他計劃使用與一般渦輪機完全不同的設計，來實現這一目標。大多數的商用風力渦輪機，如在北歐使用的風力渦輪機，就是採用類似螺旋槳的葉片沿水平軸運行。但是清水的設計是在垂直軸上，用圓柱體代替葉片，並利用了一種稱為馬格努斯效應的物理現象。

以德國物理學家海因里希·古斯塔夫·馬格努斯 (Heinrich Gustav Magnus) 的名字命名，他在 1852 年描述了這種現象。馬格努斯效應的最佳日常例子是球類運動，在足球、棒球、網球、和板球比賽中，球員通常會為球增加旋轉。當網球運動員擊球時，他們還可以在擊球時向上或向下刷球拍，使球在空中飛行時旋轉。隨著球的旋轉，它會開始偏離它不旋轉時所遵循的軌跡，而這種與普通弧線的偏差就是馬格努斯效應的結果。

Challenergy的風力渦輪機使用的馬達首先會旋轉其三個汽缸，當這些圓柱體旋轉時，因為它們被放置在氣流中，就像一個球在空氣中旋轉，產生馬格努斯效應，從而使得渦輪機旋轉。這個渦輪機的設計使得它只有在這些氣缸旋轉，並且風在吹時才會旋轉。據Challenergy稱，雖然馬達需要能量輸入才能旋轉，但這僅佔渦輪機產生的能量的10%左右。

這種渦輪機的垂直軸和利用馬格努斯效應設計的優點，是它可以適應任何風向，並且可以根據風速控制發電。後者是透過與旋轉圓柱體併入的襟翼或“圓柱體翼”完成的，可以對其進行調整，以控制馬格努斯效應的大小。“我們根據風速繪製圓柱體的旋轉輪廓，”清水說。由於馬格努斯效應作為主要驅動力，渦輪機的旋轉速度幾乎比傳統葉片渦輪機慢10倍，這意味著它們的噪音更小。清水也在研究較低的轉速，是否會減少對來往鳥類的負面影響。

>> 下集

原著: Lu-Hai Liang; September 4, 2020