互动科普

作为可再生能源之一，风力发电装机容量自20世纪90年代起，就一直在稳步增加。风能，取之不尽、用之不竭，发电时也不会产生二氧化碳，是名副其实的绿色能源。但风力发电也存在很明显的问题，比如能量不稳定、噪声污染以及飞鸟冲撞等等。这些问题有办法解决吗？在各种可再生能源的开发利用当中，风能可以独占鳌头吗？

下一代风力发电设备研究进展如何?

日本有研究小组正在进行“聚风镜”风力发电机的研制，目的是将微弱的风聚集后实现高输出发电。

在聚风镜风力发电机中，给风轮整体安装了一个筒状的扩散器（也称集风体）。集风体外形类似扩音器，因入口比出口小很多，另外出口侧的低气压，空气就会被自然地吸入集风体。在集风体出口处安装的“边檐”可以产生强的涡流，从而可达到类似于用筒体引入强气流的效果。这种发电机的发电量以风速的立方增加，所以只要风速略有增加就会大幅增加发电量。

图：海上发电场

这种聚风镜，除了有提高风速的优点外，还具有很多其他方面的优点。比如，安装的边檐，可以当作自动风向标装置来使用，叶片可以更方便地迎风而转；大幅降低风动噪声（风速在10米/秒以下时，噪声在40〜50分贝左右，周围的噪声也会降低到同等程度)；飞鸟冲撞问题也可以避免，在聚风镜入口加上拦网即可，等等。

使用聚风镜的情况下，发电量输出可以增加2〜5倍。即使筒体长度缩短到与轮胎同宽，通过调整边檐，也可以使输出提高2〜3倍。日本九州大学正在计划筹建一个海上风力发电场，将建造直径100米、额定输出功率为1万千瓦级的聚风镜发电机组，并将使用下一代碳纤维材料来实现机组的轻量化，然后将数十台这样的发电机组一起并排安装在海面上来建造海上发电场。

这种发电场的电量输出可以达到一座小型原子能反应堆的发电规模。另外，在浮体（悬浮于海面上的建筑物）上，除了风力发电机组，还可以铺设太阳能电池板；在海水中可以安装诸如“聚水镜”水力发电机组来利用潮汐发电；海面上还可以利用海浪发电。总之，全面利用可再生能源是建设海上发电场的目标。

离地面越高，风速就越快。为了得到更强的风能，也有研究人员提出在高空进行风力发电的想法。如果能利用喷射气流等高空气流，获取大量的电能是值得期待的。但这方面还有很多新的课题需要研究，比如什么结构能经受住高空每秒几十米的高强度风速、起维系作用的绳索以及输电线又该如何设计等等。

另外，无叶片风力发电也在研究当中。无叶片风力发电的原理是利用了风引起的振动，也就是大家熟知的共振现象。共振可以让坚固的大桥在数十秒内瞬间崩塌，对于风，如果发明能与风发生共振的装置，就可以实现高效率的能量转换。但是，从目前研究的成果来看，还远远没有达到预期的效果或者实用化的要求。

可再生能源并网的关键是“智能电网”

今后新能源的开发利用会向着两个方向发展。一个方向是大型集中式发电场的建设。发电场电量可以通过超导电线或者转化为氢气和压缩空气的方式输送到目的地。随着沙漠及海上大规模发电设施的建设，可再生能源的发电量会大增，连通大陆间的输电网也会随之逐渐壮大。欧洲9国正在商讨2020年前铺设连通各国的大规模输电网计划。

另外一个方向就是普及小型分散式电源系统。各地条件不同，发展和利用与当地实际情况相适应的可再生能源以供本地区电力消费，这就是因地制宜、自产自销的能源系统。这种能源系统的实现所需要的关键技术就是我们所期待的“智能电网”。

智能电网是下一代配电、送电系统，也称“电网2.0”，通过IT技术把大规模的电力供应商和消费者结合在一起，通过供求信息的交互共享，实现智能的发电和配送机制。一方面预测当日的风况和太阳光的照射程度，另一方面通过智能电表把握当天的电力需求量。如果两者出现偏差，不仅电力供应商可以立即调整，消费者也可以自我控制。可再生能源的不稳定性导致其与电力公司的输电网直接并网运行很困难，但是智能电网为可再生能源的顺利并网提供了很好的解决方案。目前，世界各地都在进行有关引入智能电网的研究，相关试验项目也在进行中。

关于风力发电对环境和人的健康的影响，现在还有很多遗留问题。一方面，风力资源在世界很多地区都很丰富，另一方面，随着智能电网的出现以及小规模发电技术的不断进步，适用于风力发电的区域会逐步扩大。在通往可再生能源社会的道路上，还有许多实实在在的问题需要去研究和解决。

（本文发表于《科学世界》2012年第5期）