今年第4号台风黑格比登陆中国不到一周，第5号台风蔷薇又诞生了。
图片：中央气象台台风网
大陆的朋友可能不熟悉台风超过原子弹。为此中国气象局去年强行科普了一波~
@中国气象局微博
消灭台风是不可能的，那么可以考虑大量利用台风波吗？借助台风发电，能否降低其功率？
风力越大，发电量越多？风车是怎么工作的？
我们平时从各种媒体上看到或了解到的风力发电设备一般是这样的：
海边的风力涡轮机(来源：Pixbay)
它的详细名称是逆风三叶水平轴升力风力发电机，是目前主流的风力发电形式，一般简称风力涡轮机。它的结构似乎很简单。先在地上竖起一根柱子，装上发电机，然后在发电机主轴前插上三片长叶片。这样，风力涡轮机就完成了。然而，简单的外表下隐藏着6000多个不同的组件，各种控制机制错综复杂。最重要的是，当由叶片和中心轮毂组成的风轮成为风能的捕获部分时，整个风力发电系统不再遵循普通发电机的运行规律，风轮叶片对应的气动特性成为风力发电机的核心要素。
一台2MW风力发电机的功率曲线(图片来源：作者自制)
根据来风风速与风机输出功率的关系，其运行状态大致可分为四个阶段：
无风静区(风速介于无风和切入风速之间):当无风或来风风速过低时，风力发电机转子仍在转动或缓慢转动，此时发电机不进入运行区，不产生电流；
功率提升区(风速介于切入风速和额定风速之间):随着风速的增大，风轮进入稳定旋转状态，机组在该区域开始发电，输出功率随着风速的增大逐渐增大；
恒功率区(风速介于额定风速和切出风速之间):由于发电机本身容量的限制，随着风速的不断增大，风力机的输出功率保持在一个恒定值(额定功率)；
有风停机区(风速超过切出风速):当风速继续增大，超过机组的停机风速时，风机将制动，风轮立即停止转动，机组停止发电。
这个曲线有点奇怪。风速越高，风能就越丰富，能发电就越多。这是发电的绝佳机会。但是当风速刚刚达到25 m/s的时候，为什么风机就停了？不是这难道不是对这种稀有能量的浪费吗？
因为，当风速过高时，如果机组没有及时采取相关的停机操作，可能会这样结束：
当风车 速度& gt；是不是太快了？(图片来源Youtube)
从纯能量的角度来看，风速越高越有利于发电。但当风速逐渐增大到威胁机组安全时，发电就成了次要目的。此时，快速流动的空气使机组承受巨大的压力(风荷载)。一旦处理不当，上述滑行情况将导致灾难性事故，如叶片断裂和整机倾覆。
台风登陆过程中，最危险的因素不仅是强风，还有混乱多变的风向，对风力发电机的威胁更大。当风力涡轮机意识到接近极端的风力条件时，它不仅应该迅速制动并锁定风轮的主轴，而且还应该果断地认清懦弱并根据风向转动机头，使其沿来流方向的投影面积最小，尽可能减小受风面积。虽然台风登陆中国在地转偏转的作用下，美国沿海地区整体逆时针旋转，台风墙内的流动极其紊乱，风向复杂
2016年台风杜鹃的中心风速为57米/秒，远低于风机设计所能承受的极限风速。但还是出现了大面积的叶片断裂，甚至出现了整个机组倾覆倒塌的灾难性事故。
台风杜鹃降落在受损的风力涡轮机上(来源：风力工程杂志
和工业空气动力学)
当然，台风也不是完全不能发电。虽然台风核心区的威力吓到了风机，但是台风影响的区域很广，随着沿外围距离的增加，风速会逐渐降低。当低于25米/秒(目前大多数风力涡轮机的切断风速)时，风力涡轮机可以吃充分吸收台风能量进行发电。比如2018年江苏如东台风安比最大风力只有9级，给沿海风电场带来了可观的发电效益。如果未来风力发电机采用机械性能更好的材料，使其突破25米/秒甚至更高的停机风速极限，在台风肆虐的时候能够从容面对，那就离风力发电的目标又近了一大步。
一台台风风力发电机凭空诞生了。
以上是目前主流大型水平轴风力发电机的特点。事实上，风力发电机有各种类型，但大多数都不适合发电。关东大地震和福岛核事故后，日本对核电的安全性更加谨慎。日本工程师清水厚决定开发利用台风发电的风力涡轮机。在意识到目前主流风力发电机的局限性后，他决定另辟蹊径，组合开发一种全新的风力发电机类型。他在2014年创立了清洁能源公司Challenergy，并担任首席执行官。两年后的2016年9月，清水宣布成功研发出世界第一台台风风力涡轮机。这种机组可以承受80 m/s的风速，可以轻松应对台风风向的变化，有效利用台风能量。
风力涡轮机模型及其发明者清水淳(图片来源：电子爱好者)
这个台风风力发电机有什么魔力让它能够驾驭台风？
与主流的水平轴风力机不同，这种风力机属于结构安全性相对较高的垂直轴风力机，解决了逆风偏航的问题。此外，与传统的翼型叶片不同，这种风力涡轮机叶片是一个光滑的圆柱体，其产生升力的原理来自马格纳斯效应在流体力学中，即在流体中旋转的物体(如圆柱体)由于物体的旋转带动周围的流体旋转，使得物体两侧的流体速度不同，从而产生旋转物体产生的侧向升力。通过控制圆柱形叶片绕中心轴线的转速，可以更加灵活地改变叶片的升力，有效地调节风轮的转速，使机组在高风速下平稳运行。
马格努斯效应(来源：Challenergy官网)
这个所谓的世界的第一台台风风力发电机其实没什么新鲜的，它只是把马格努斯效应和垂直轴风力发电机结合了起来。马格努斯现象(Magnus phenomenon)早在1852年就被德国科学家马格努斯发现，并根据这一原理在飞机和船舶上进行了大量的探索和研究，甚至被应用到水平轴风力发电机上。
根据Challenergy官网发布的报告，清水淳美国的研究小组正在对马格努斯垂直轴风力涡轮机进行一系列的实验研究。在一台100 kW样机的初步测试中，风力发电机的能量转换效率只有近30%，远低于主流风力发电机。由于风力发电机组本身运行控制方式复杂，其功率很难有大的提高。因此，大规模的研发；这台台风风力发电机未来的道路将会更加崎岖。
100 kW台风发电机测试机(来源：Challenergy官网)
台风发电？考虑低风速发电。
台风发电的谣言经常吸引人在每一个台风季节。但是，人们普遍对风力发电有一个误区，认为只有在有风的地方才需要建风力发电机。虽然风速是衡量一个风电场效益的重要参数，但是这个区域风的持续时间(风电行业中通常称为风能利用小时数)更为关键。虽然12米/秒和24米/秒的平均风速对应的风能相差近8倍，但对于某些风力发电机来说，单位时间的发电量是一样的。事实上，风力发电机可以在3m/s的风速下运行，现在机组已经完成了向低风速型的技术改造，在年平均风速低的地区有可能获得可观的发电量。
总之，虽然我们可以目前不要充分利用台风发电，这个目标并非遥不可及。当然，清水淳团队研发的风力发电机达到了台风发电的目的，这项成果确实会有一定的科研价值。它将使风力发电的技术水平更上一层楼。但在实际工程应用中，台风发电最关键的问题不是技术可行性，而是安装运行成本、制造技术水平、能源利用效率、运行安全性、经济效益等因素的综合考虑。显然，利用偶然的访问台风。这种技术策略并没有理想的效益，缺乏商业开发的价值。因此，台风发电在未来很长一段时间内都不会成为主流发电形式。
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