小巧的「風透鏡風車」可實現傳統小型風車3倍發電量

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九州大學風險企業WINDLENS社長 高田佐太一

       日本九州大學風險企業開發出了「風透鏡風車」。 其特點是，通過套在葉片上的圓環聚集風，在風速相同的情況下，可獲得原有小型風力發電機2～3倍的發電量。在日本，受環保規定的影響，大型風力發電機的建設處於停滯狀態，因此這種風車作為新型電源越來越受到關注。

      「發電成本掌握著自然能源普及的關鍵。我們瞄準這一點，開發出了『風透鏡風車』。希望今後能實現1000台的年銷量，銷售價格降到現在的一半，進一步推動普及」，九州大學風險企業WINDLENS公司社長高田佐太一雄心勃勃地這樣說道。

       風透鏡風車是一種在風車3枚葉片的周圍安裝環狀「風透鏡」的小型風力發電機。就像透鏡通過折射光線聚集太陽光一樣，此環能聚集風，因此而得名。其特點是，在風速相同的情況下，可獲得原有小型風力發電機2～3倍的發電量。

       現在的銷售價格為每台300萬～400萬日元。迄今的銷量大約為60台，雖然不多，但最近常常接到來自全球各地的諮詢。高田希望在幾年內實現量產化。  

現在九州大學伊都校區內設置的「風透鏡風車」。高13.4米，風車主體直徑為3.4米，額定輸出功率為5千瓦。

「有潛力無產品」的小型風力發電機市場

       風力發電機根據輸出規模，大致分為大型風力發電機和小型風力發電機。現在，大型風力發電機在全球範圍內以2500千瓦為中心，風車直徑在30米以上。而小型風力發電機的風車直徑定義為7米以下，輸出規模在20千瓦以下。

       風力發電的發電量與風車半徑的2次方、風速的3次方成正比。如果半徑為原先的2倍，則發電量為4倍。也就是說，規模越大，發電成本越低。因此風力發電機逐年趨於大型化，以中國、歐洲和美國為中心，採用大型風力發電機在加速。

       而另一方面，日本雖然曾一度出現過大型風力發電機建設熱潮，但現在基本不再增加。其原因在於，能夠建設大型風車的場所有限。與中國和美國不同，日本國土狹小，而且島嶼和山區等傾斜度大的地形較多，還常常遭遇颱風、強風和雷擊等，自然環境嚴峻。

       在這種情況下，從2007年起，大型風車所產生的噪音和低頻聲波對健康的損害問題也浮出水面。由於發電站周邊居民投訴出現頭疼和失眠等不適症狀的情況增多，因此大型風力發電機的建設陷入停滯狀態。日本環境省從2010年4月起，針對所有風力發電機進行為期4年的受害實態調查，現在已經停止發放新設置補貼。

       再者，隨著大型風力發電機的大型化，製造成本和建設成本的增大、飛鳥撞擊風車、電波干擾、環境破壞等問題也開始受到重視。

       而小型風力發電機則可設置於無法設置大型風力發電機和太陽能電池板的場所。另外，小型風車也不會出現因風車支柱與大型葉片之間的干擾而產生的低頻聲波。電波干擾、自然破壞和景觀問題也比大型風車少得多。因此，可以說小型風力發電機的潛在市場非常大。

       不過，雖然環保性能出色，但小型風力發電機被認為是「有潛力無產品市場」。普及並未取得絲毫進展，主要原因在於，與大型風力發電機相比，其發電成本較高，在當前情況下即使採用也不合算。

       目前的發電成本方面，大型風力發電機為10～14日元／千瓦時，光伏發電為46日元／千瓦時，而小型風力發電機為大型風力發電機的幾十倍以上。並且，在與發電成本密切相關的建設成本和運行成本中，建設成本大型風力發電機為1千瓦20萬～30萬日元，光伏發電為60萬日元，而小型風力發電機高達光伏發電的2～3倍。

       因此，現在許多大學和企業的研究人員及技術人員都在積極推進研發，力爭使小型風電的發電成本降到與光伏發電同等水準。

       在這種情況下，風透鏡風車因發電成本較低而備受關注。  

在風速為4米的情況下，每年可發電3000千瓦時

       風透鏡風車主要有以下四個特點。  

       首先是與原有小型風力發電機相比，可獲得2～3倍的發電量。其原因在於風透鏡產生的「聚風效果」。風力發電的輸出與風速的3次方成正比。而風透鏡風車採用了可聚集風的結構，可使風速增大到原先的1.3～1.5倍。因此，在風速相同的情況下，可獲得相當於風速3次方的約2～3倍的發電量。

       高田解釋說：「儘管風透鏡風車的直徑僅為2.5米，風透鏡的外徑僅為3.4米，但九州大學進行電腦模擬的結果顯示，在平均風速為毎秒4米的情況下，每年可確保3000千瓦時左右的發電量。」

       據日本光伏發電協會估算，2010年度日本每戶家庭一年的總耗電量為5650千瓦時，因此可滿足50％以上電力需求。

       第二個特點是，幾乎不產生噪音。通常情況下，在大型風車葉片頂端部分形成的稱為卡曼渦流的空氣渦流是產生噪音的主要原因。然而風透鏡風車的葉片周圍安裝有風透鏡，可抑制形成卡曼渦流，因此幾乎不會產生噪音。

       高田說：「實際上，測定結果顯示，聲量在45分貝以下，寂靜程度可與圖書館相媲美。」  

       第三個特點是，通過風透鏡的聚風效果，即使風向混亂也可進行發電，而且能夠利用風力朝向風吹的方向。因此無需使用電力驅動可跟蹤風向的偏擺驅動裝置。

       第四點，由於風透鏡部分是固定的，不能旋轉，因此對於飛鳥來說，風車辨識度高，撞到風車的發生頻率低。並且支柱的高度在15米以下，也避開了野鳥的活動範圍。實際上，到目前為止尚未有飛鳥撞上風車的報告。

高度定在15米以下以削減建設成本

       高田除了通過採用風透鏡削減運行成本之外，還在致力於削減建設成本。

       首先是削減部件的製造成本。核心機構的製造委託日本企業，而其他部件則全部向中國企業訂貨。

       並且，通過將風車高度控制在15米以下，大幅削減了建設成本。現在日本《建築基準法》規定，建設超過15米的建築物及裝置，需要就建築計劃是否合乎法規事先接受審查。這時，除了要向一級建築師支付幾十萬日元的報酬之外，到通過審查還需要花費幾個月的時間。不過，如果是15米以下的建築，就不需要上述審查，因此可立即著手進行建設，能夠大幅降低建設成本。

       高田說：「再者，支柱的設置也比較簡單。僅需在地下挖3米的坑，將支柱埋入其中並用混凝土固定，因此一天時間就能建好。」

       原來的風車支柱越高，越能獲得較強的風，因此發電量會增加。不過，風透鏡風車即使風力較弱也能發電，因此不需要太高的支柱。支柱低還可減輕颱風引起的暴風以及雷擊造成的損壞。

       高田表示：「並且通過改變形狀，比如增加風透鏡的長度等，還可實現5、6倍的發電量。不過，在對製造成本等進行綜合探討之後得出的結論是，現在的形狀最為合適。」

       這樣研製出的小型風力發電機，建設成本與光伏發電相同，只要年平均風速在毎秒4米以上，便可在住宅區、無法設置大型風力發電機及太陽能電池板的山區以及大廈頂部等任何場所以極短時間設置。

通過使風從較窄一側吹向較寬一側來增加風速

       高田于2008年4月成立了WINDLENS。直接原因是受九州大學委託。

       實際上，高田原先是泵生產企業的技術人員，從2000年起開始從事大型風力發電機的開發、設置及運營。最初5年非常順利，在日本各地總共建設了約50台大型風力發電機。但是，由於居民反對建設風電的活動日趨加劇，加之日本政府決定停止提供補貼，因此不得不中斷了該業務。但是，高田並沒有放棄開發風力發電的潛力，而是繼續摸索怎樣才能解決大型風力發電機及小型風力發電機所面臨的課題。

       在這種情況下，因所屬企業提供研究經費而相識的九州大學教授大屋裕二向高田提出了共同進行研究的邀請。

       專業是風力及流體工程學的大屋教授正是風透鏡風車的發明者，他在2002年提出了專利申請，並於2004年獲得專利。為了實現風透鏡風車的產品化，他向高田提出了共同進行研發的邀請。

       風透鏡風車之所以取得了專利，是因為聚集風的機制非常新穎。從直覺上來說，人們往往覺得風從風透鏡較寬的一側吹向較窄的一側時，風速會增大。但實際上在風透鏡風車中，風是從風透鏡較窄的一側吹向較寬的一側。這時安裝于風透鏡周圍的「凸邊」會產生強大的空氣渦流，通過渦流使風車後的氣壓降低。因此，風會被吸入低氣壓處，從而增大風透鏡內的風速。  

「風透鏡風車」的工作原理（點擊放大）

發電成本與光伏發電等同

      「風透鏡風車可解決大型風力發電機的全部課題。關鍵在於如何使發電成本降到與光伏發電同等水準。我一定盡力相助。」

       高田欣然應允了大屋教授的邀請。隨後便離開泵企業，作為風透鏡風車製造、銷售及設置企業成立了WINDLENS。並從九州大學取得了銷售權。

       在進行建設時，高田向福岡市提出了合作申請。在通常情況下，大型風力發電機如果年平均風速達不到毎秒6米以上就達不到經濟效益，因此不能建設。從這一點來說，福岡市就是不能設置大型風力發電機的地區。不過，如果使用風透鏡風車，只要年平均風速為毎秒4米，就有利可圖。因此，WINDLENS、九州大學以及福岡市三方共同開始調查福岡市內風速為毎秒4米的場所。調查結果顯示有許多場所可進行設置，比如Sea Side Momochi（百道海岸）等。

       恰好在2009年，日本總務省發佈了《綠色分權改革》政策，表示將力爭建立地區主權型社會，除了行政和財政制度之外，還強調了能源及食品供應的地區主權。

       根據綠色分權改革，由公共機構實施了關於風透鏡風車的性能和噪音的調查。之後在2011年，高田等意想不到地獲得了日本政府的推薦。

       高田表示：「獲得政府推薦使我們有了很大的自信。」  

       高田等力爭今後進一步削減發電成本，並對預定今年7月實施的「再生能源固定價格收購制度（FIT）」滿懷期待。而且，最近來自海外的諮詢也比較多，除了已在英國和中國得到採用之外，美國也計劃引進。因此高田等還將大力在海外進行普及。

       另一方面，高田等也在致力於研製和建設大型風透鏡風車。2011年在九州大學伊都校區內設置了風車直徑為12米的風透鏡風車。直徑為原來的5倍左右，但輸出卻達到了相當於原先20倍的100千瓦。不過，如果因大型化而再次出現以往的大型風力發電機存在的課題，就本末倒置了，因此今後將繼續與九州大學共同推進產品開發，力爭找到最佳解決方案。  

       高田表示：「我們力爭實現發電成本低、對人和環境都有益的風力發電機。希望能成為該領域的領軍者，為全球環境對策做出貢獻。」 （《日經商務在線》特約撰稿人：山田久美）

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如果可以降低最小風速發電就一流.