抗台风风力发电机助力偏远岛屿能源转型

• 日本能源初创企业 Challenergy 专注于研究岛屿的电力需求。
• 来自开发阶段的运行模拟反馈可以快速应用于产品设计。
• 菲律宾巴丹群岛的第一台涡轮发电机已经开始运行。
• 这标志着从偏远岛屿开始，人类在向以氢为能源基础的社会范式转变。

日本电力基础设施的脆弱性在东日本大地震、海啸以及毁灭性的大面积台风等自然灾害中暴露无遗。根据《全球气候风险指数》2020 年版（PDF，第 6 页）的计算，由于2018 年日本洪水造成的大规模破坏，日本已超过菲律宾，成为遭受极端天气事件影响最大的国家。

自福岛核灾难以来，清水敦史（Atsushi Shimizu）一直致力于能源转型。他创造了一种独特的风力发电机，其垂直圆柱体可充当风力叶片。这一发电机应用马格努斯效应的物理原理来发电。在他获得发明专利后，清水创立了自己的公司 Challenergy。现在，在克服了最初设计的效率问题后，他的无叶片风力发电机即使在强力的台风中也能发电。2016年，他在冲绳南城市安装了一台 1 千瓦的测试设备，开始在现场测试他的设计。

从那时起，风力发电的趋势发生了急剧的转变。清水表示，由于日本采用上网电价补贴（FIT）政策，引发了国内外小型风力发电机系统开发的热潮。他说：“就像太阳能系统一样，我们当时的重点是利用 FIT 框架。因此，我们正在开发一个更大的 10 千瓦系统，提高效率和利润。”然而，Challenergy 很快发现，他们很难打入由非日本制造的低价叶片发电机主导的市场。随着能源价格跌破原值的一半，在 FIT 框架内盈利明显变得困难。

商业模式的转变

随着清水通过 1 千瓦测试平台证明了他的技术的有效性（该平台在台风条件下成功发电），他就重新集中精力追求他最初的全球能源转型愿景。他希望在继续开发 10 千瓦涡轮发电机的同时，建立一种不依赖 FIT 的商业模式。2018 年，Challenergy 在冲绳石垣岛的测试场安装了量产原型机，计划于 2020 年首次亮相。

风力发电机由于设计尺寸的增加而变得更具成本效益。一般的风力发电机制造商正瞄着越来越大的尺寸，叶片长度达到 100 米的超大型号也在研发中。“纵观风电业务发展的历史，一个不变的现象就是厂家在竞相制造越来越大的涡轮发电机，”清水说。“人们现在关注的只是那些能够制造最大涡轮机的公司。这些涡轮机就像一只只巨大的恐龙在风中起舞。”

相比之下，Challenergy 的策略是避免参与残酷的巨型风力发电机市场的恶性竞争，而是追求在偏远岛屿发电的利基市场（niche market）。

“岛屿社区通常依靠柴油发电机发电，但如今确保燃料以及产生负担得起的电力已经成为主要需求，”清水说道。“人们对可再生能源寄予厚望，但目前还没有简单易行的解决方案。虽然岛屿缺乏太阳能发电场所需的土地，但风力供应充足。但是，不断变化的风向和风速会频繁地损坏叶片涡轮机。有了我们的涡轮发电机，岛屿社区可以获得一种可再生能源，有一天，它可以取代柴油发电机。”

推动创新的模拟

风险投资企业成功的最大障碍之一是创建适合大规模生产的产品设计。对于 Challenergy 来说也是如此。

“对于我们的小型 1 千瓦涡轮发电机来说，结构上没有受到太大的应力，因此相对容易提出一种具有良好性能和结构强度的设计，”清水说。“不过，随着涡轮发电机变得越来越大，我们需要优化它的重量和强度，才能保持大规模生产的可行性。此外，在制作实体产品时，设计至关重要。你不能像使用软件那样事后修复它。在投入生产之前，你就必须先确定要做的事情。”

Challenergy 从成立之初就使用欧特克的 Inventor软件；随着项目规模的扩大，它很快就利用 Inventor Nastran 的全部功能来运行模拟。“使用模拟的优点是我们可以详细测量应力，无论是在不同的风向角度还是在臂结构本身内进行测量，而这在现实生活中是无法测量的，”清水说。“一旦我们积累了足够的模拟数据，我们就可以快速调整我们的设计参数。对于像我们这样的风险投资公司来说,能不能快速完成[计划-执行-检查-处理] PDCA 循环的设计和分析阶段，直接关系到公司的生存。”

超出风电范围的愿景

Challenergy 岛屿部署策略中的第一个 10 千瓦涡轮发电机地点位于菲律宾巴丹群岛省。“它地理位置靠近石垣岛，也经常遭受台风侵袭，所以条件相似，”清水说。“那里的主要产业是旅游业，它的输电网络很脆弱，每天都会发生停电。我们参观的当地一家餐馆有自己的小型发电机，每次停电时，员工都会启动发电机。”

菲律宾有 7,000 多个岛屿，其中数百个有人居住且需要电力。清水说：“为岛屿供电不仅是日本或菲律宾的问题，也是一个全球性的能源挑战。我们收到了来自世界各地岛屿社区的更多询问，其中许多都是著名的旅游目的地。这么大的需求表明我们的策略是正确的。”

岛屿国家需要大量电力来支持其重要的旅游业。然而，柴油发电机造成的污染与人们对旅游业环境的担忧形成了鲜明的反差。

“太阳能不是一个选项，因为任何适合太阳能发电场的土地都已经被使用了，”清水说。“这可能听起来很奇怪，但岛屿上直射阳光的时间通常是有限的。这使得岛屿社区很难依靠太阳能。另一方面，虽然岛屿几乎总是有风吹过，但岛屿本身会扰乱风流，这会对传统的叶片发电机造成问题，并带来机器损坏的风险。我们的风力发电机比任何其他可再生能源都更能满足岛屿上小型社区的需求，这为我们的未来策略提供了明确的方向。”

Challenergy 在菲律宾安装的第一台风力发电机于 2021 年 8 月在巴丹群岛全面投入运行，清水表示，他会不断地为岛屿提供自给自足的电力。

“我们可以挖掘海洋的无限潜力，并将它与风能结合起来，为岛屿居民实现以氢为能源基础的社会。”清水说。“这一切都始于为这些小岛提供电力并在这一基础上继续前进。如果我们能够让一个岛屿成为 100% 以氢为能源基础的社会，这样一个没有化石燃料的人间天堂一定会吸引游客。最终，从日本开始，我们希望将全球的岛国转变为氢能的来源。如果我们能够利用台风的力量，把它作为生产氢能的资源，然后出口，这将推动全球氢能社会的形成。对于目前依赖进口能源的岛国来说，这将是一个巨大的范式转变。”