一根竿子發電 屋頂變身風電場
精華簡文
圖片來源：Vortex-Bladeless
一根竿子發電 屋頂變身風電場
一根三公尺的直立竿子，就是一座風力發電機。 體積更小、更安靜，且不傷害鳥兒。 未來家家戶戶的屋頂不只可以放太陽能板，也可裝設風機。
沿著台灣西部濱海公路行駛，沿途會見到不少矗立在海邊、十幾層樓高的巨大白色風力發電機。
靠近風機塔座，都可以聽到風機發出「嗡嗡嗡」的聲音。這是發電機頂端的三片巨大風車葉片在強勁海風的帶動下，緩緩轉動，帶動風機內的發電機發電，所產生的低頻噪音。
風力發電技術的發明，是為了帶給人類乾淨永續的能源，逐漸取代高污染、大量消耗礦物資源的石化能源，可以減少溫室氣體排放、減緩全球暖化等人類面臨最嚴峻的問題。
但是，風機塔座體是巨無霸，太佔地方，且發電成本太高，只能依靠各國政府大量資金補貼，才能持續發展。二十幾年下來，雖然發電量持續增加、發電效率不斷提升，至今還是難以大幅提升風電佔總發電量的比重。
不時還會遇到環保團體或興建地點居民，抗議風機噪音和對鳥類的傷害。
就在風電面臨瓶頸的這幾年，一家西班牙新創公司Vortex Bladeless的新奇發明，顛覆了風電的傳統發電模式。超低成本和對環境幾乎零衝擊的特點，很有可能為這個綠色能源帶來突破性的發展。
Vortex的新發明，就是沒有風車葉片的小型風力發電機，外型看起來就像一支細細長長的巨大甜筒或竹竿。
這聽起來很不可思議，一根細長的圓柱體，沒有風車葉片，要如何發電？
原來，Vortex風力發電機，是利用風吹過圓柱形風機，形成渦流所產生的震動，讓風機擺動。這個擺動力，可以帶動風機內的交流發電機發電。
運用吹斷大橋的能量
Vortex風機的發明人，是西班牙籍的雅尼茲（David Yanez）。他研發這項技術的靈感，來自於發生在一九四○年，美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrow Bridge）的崩塌意外。
這座長一．六公里的吊橋，因設計不良，當強風吹過吊橋時，橋面會產生擺動。吊橋才通車兩個月，就因晃動幅度愈來愈大，導致整座大橋崩塌。
造成大橋崩塌的原因，是空氣動力學上被稱作「卡門渦列」（Karman vortex street）的效應，是所有建築工程都會遇到的大自然挑戰。
當氣流經過煙囪、高塔等柱狀體時，背風面會產生一股漩渦氣流，讓柱狀體產生震動，如果柱狀體沒有設計抵銷這股震動力的結構，很容易因震動過大導致結構受損，甚至崩塌。
塔科馬吊橋崩塌事件，後來成為所有工程與建築學生學習卡門渦列效應的教材。台北一○一大樓就是利用建築物內巨大的阻尼器，抵銷卡門渦列效應對建築物的影響。
這股所有建築師和工程師絞盡腦汁想要避免的大自然力量，對雅尼茲來說，卻是老天賜予人類最好的能源之一，可以好好利用。
「其實這（卡門渦列效應）是一個將能源從流體轉換到結構上一個很好的方法，」雅尼茲對《MIT科技評論》說。
二○一○年，雅尼茲和好友蘇立歐（David Suriol）、馬丁（Raul Martin）共同成立Vortex Bladeless，開始研發利用卡門渦列效應的風機。
為了讓圓柱形風機能夠穩定擺動，雅尼茲在風機的中間，裝設上下兩個互斥的環形磁鐵，當風帶動風機擺動到一邊，磁鐵的互斥力就會讓風機擺動到另一邊。因此，不需要很大的風速，Vortex風機就能持續穩定發電。
風機的外殼，則是使用含有碳纖維與玻璃纖維的複合材料，重量非常輕。
Vortex目前設計了兩款風機，分別為三公尺高、發電量三百瓦，以及十三公尺高、發電量四千瓦。主要銷售目標為新興市場和家用社區市場，分別計劃在今年底和明年開始上市銷售。
風電產業的救星
英國《衛報》認為，Vortex的創新發明很有可能成為風力發電產業的救星，讓風電普及化的阻力變小。
根據國際能源總署（IEA）統計，從一九九○到二○一四年，全球風力發電供給量以每年二五％的高速度成長，僅次於太陽能的增幅，遠遠高於石化能源和水力發電。
可是，在全球總發電量當中，目前太陽能、風電與其他新能源的比重加起來，只不過三．七％。即使是在新能源發展最快的OECD國家，也只佔了六．三％。
可見經過二十幾年的發展，風力發電的規模還是難以大幅擴大、普及，最主要原因，就是傳統風機的興建、維修成本太高，抵銷了技術進步、發電效率提高的效益。
而且，巨大的體積與風機的噪音對生態環境的衝擊，常招來環保團體的反對，苗栗苑裡在一三年就發生了居民反對興建風機的事件。
這些問題，就是Vortex最大的機會與優勢所在。
Vortex共同創辦人蘇立歐解釋，Vortex風機體積小、機械結構很簡單，沒有齒輪等傳動裝置，興建不需要打地基。
所以和傳統風機比較，Vortex製造成本低五三％，管理維修等營運成本低五一％，使得每百萬瓦發電成本比傳統風機低四成，甚至比水力發電、燃氣渦輪發電等一些傳統能源還低。
而且，Vortex風機沒有巨大的風車葉片，幾乎沒有噪音，不會傷害鳥類，對生態環境衝擊非常小。
「這項新技術對環境的衝擊，要看他們如何、在哪裡營運，才能決定。但不使用葉片的設計，的確可以減少對鳥類的傷害，」受英國政府委託審核風電開發案的獨立法人機構英格蘭自然署（Natural England）表示。
這些特點，讓Vortex風機可以裝設在城市中的大樓與自家屋頂上，使用範圍更大，不必像傳統風機只能設置在遠離城市的鄉間、海邊。
「我們就是要把風力發電帶進消費者家中，就像太陽能發電一樣，」蘇立歐說，「Vortex將會像是風電領域的太陽能板。」
看好Vortex未來潛力，包括西班牙石油公司力豹仕（Repsol）在內的政府與投資機構，已經投資Vortex超過一百萬歐元（約三七○○萬台幣）。
全球最大再生能源公司SunEdison、知名商業設計顧問公司IDEO，以及哈佛大學，也已和Vortex展開合作。
Google能源風箏 巴黎鐵塔陀螺風機
像Vortex一樣，科技人研發低成本風電新技術的嘗試，其實一直沒有中斷過。最近幾年，各種小型風機的創新發明不斷，也愈來愈受到各國政府與市場的重視。
最著名的例子，就是二○一三年被Google併購的新創企業Makani Power，開發了會飛的風力發電機——「能源風箏」（energy kite），在巨型風箏上裝設非常輕巧的小型風機。Google計劃，近期就要測試發電量六百千瓦（kW）的能源風箏。
法國巴黎鐵塔在今年三月，裝設了像陀螺一樣垂直旋轉，高度只有五公尺的微型風機，每年發電量預估有一萬千瓦，足夠提供鐵塔的餐廳、紀念品商店與小型展覽廳一整年的用電量。
去年，美國能源部就編列了一三○萬美元的預算，設立「微型風力發電機倡議」（micro wind turbine initiative）基金，資助民間研發五到二五○千瓦的住宅社區型風力發電機。
不過，一些專家認為，微型風機的能源轉換效率不夠高，將是致命傷。以Vortex為例，能源轉換率約七○％，比傳統風機低三成。
而且，《MIT科技評論》認為，未來為了提高發電量，可能會增加風機高度。但高空的強風和亂流會讓氣流不穩定，導致風機擺動頻率變亂，降低發電效率。
儘管商業化後的結果還是未知數，但Vortex的技術至少為人類擴大使用潔淨能源，提供了一個突破瓶頸的新機會。
「任何人認為現有的傳統風機，就是我們能做到最好的風力發電方式，都是缺乏願景的人，」加州理工學院空氣動力學教授戴伯里（John Dabiri）強調。
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