靠颱風來發電？日本工程師發明「新風力渦輪機」 將能源存起來（上）

► 一名日本工程師卻發明了新的風力渦輪機 

日本工程師希望建造出能夠抵抗嚴重颱風的風力渦輪機，即使在惡劣氣候的天災中也能發電。海燕颱風來襲時， Mariel Robedizo Engranes 當年 15 歲，住在多洛雷斯的東薩馬，位於菲律賓東部。該國常遭遇颱風，但對於被菲律賓當地稱為約蘭達的海燕颱風，卻是特殊的。它於 2013 年 11 月 8 日登陸，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 憶起約蘭達襲擊的那個早晨。「我注意到時，房子裡已經淹水了，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，屋頂被吹毀，超過 6,300 人在風暴中不幸喪生，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，有整整兩個月都沒有電，有些地區甚至三個月的時間都沒電，我們這裡的供電是不穩定的。強風有利於發電，但風暴中非常高的風速，也可能會摧毀一般的渦輪機。

► 專門用於颱風天的風力渦輪機

對於菲律賓來說，可靠的電力供應是群島國家中，不少島嶼所面臨的挑戰，颱風加劇了這種情況。自然災害過後，恰恰是最需要電力的時候，但這時卻無法正常供電。對於另一個易受災害的國家，日本的工程師，給出了一個新穎的答案。

位於東京的一家名為 Challenergy 的公司，製造出了一台，專門用於颱風天的風力渦輪機。 對於 Challenergy 的創始人兼執行長清水敦史來說，這些風力渦輪機最需要的場所，就是像東薩馬這樣缺乏電力的地區。

最初啟發清水敦史的並不是海燕颱風，而是另一場深深影響了日本人民的自然災害。 2011 年東日本大震災引發了海嘯，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事件。

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，就是失去了作為低溫室氣體排放領導國，令人稱羨的地位。地震發生時，清水敦史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。

► 利用了一種稱為馬格努斯效應的物理現象

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，清水敦史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。但是清水敦史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。

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空間可使用風力發電，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% ，清水敦史因此非常的不理解。

► 馬格努斯效應的最佳日常例子是球類運動

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，它可以適應任何風向，並且可以根據風速控制發電。後者則可透過與旋轉圓柱體併入的襟翼或圓柱體翼完成，對其進行調整，來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！」清水敦史說。

► 渦輪機的旋轉速度幾乎比傳統葉片渦輪機慢 10 倍

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，這也意味著它們的噪音更小。清水敦史也在研究較低的轉速，是否會減少對來往鳥類的負面影響。

儘管清水敦史的渦輪機看起來很大，但實際上它與一般傳統的螺旋槳渦輪機相比，卻是非常的矮小。日本傳統螺旋槳渦輪的葉片通常會達到 40 公尺長，塔高近 80 公尺。例如，北海道的傳統渦輪機的最大輸出功率為 3 兆瓦 ( MW )，相比之下， Challenergy 的風力渦輪機目前只能產生 10KW（或 0.01MW ）。但是清水敦史計劃將渦輪機擴大到 100KW ，這將需要一個大約 50 公尺高的渦輪機。

► 10KW 版本已經在颱風期間首次發電

雖然它們可能永遠都不會像傳統渦輪機那樣高效，但這些攪拌狀結構的吸引力在於它們的堅固性。安裝在沖繩石垣市的 10KW 版本已經在颱風期間首次發電，Challenergy 認為這已經是世界首創。 2019 年 10 月，石垣島躲過了海貝思颱風。 Challenergy 的傳感器記錄到風暴期間的最大風速為 43 至 45m/s 。他們聲稱裝置可以承受高達 70m/s 的風速，但運行上限為 40m/s 。從這個角度來看，海貝思颱風的 10 分鐘持續風速為 54m/s ，一分鐘持續風速為 72m/s ，這也意味著只有最高峰，才會對渦輪機構成威脅。

如今大多數的螺旋槳渦輪機的運行極限都約為 20-30m/s 。總部位於挪威的國際能源諮詢公司， DNV GL 的首席工程師， Alex Byrne 專門研究風能，她說這是一個設計決定，「如果渦輪機設計師選擇這樣做，也可以設計出運行速限 40m/s 的渦輪機。」但是，對於使用他們的渦輪機的大多數站點而言，將其設計為具有較低的切斷風速，在經濟上更有意義。

照片引用於：https://emira-t.jp/ 

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