以色列理工學院研發獨特垂直軸式渦輪風力機，無需電力的海水淡化系統有希望實現嗎？

在以色列，海水彷彿直接流入了家用的水龍頭。以色列人為該國在海水淡化領域的傑出成就非常感到自豪，5 座海水淡化廠遍佈以色列地中海沿岸，生產出的飲用水約佔全國生活用水量的 75% ，且在未來幾年內將會持續建造更多海水淡化廠。

這是沙漠國家能擁有的最佳解決方案嗎？乍看之下或許如此，但一切都是有代價的：為了讓海水又或者是鹽淡水得以飲用，以色列海水淡化廠耗費了大量電力運作著。近期，在 Stephen and Nancy Grand Water Research Institute (GWRI) 舉辦的第 5 屆雙年度學生會議中所發表的一個新發明成果，嘗試解決上面提到的能源問題，此發明甚至有可能在全球淡化水供應領域中引起一場革命。以色列理工學院 Technion 研究人員所發表的這項技術是一套無需電力供應即可運行、成本低廉且容易使用維護等特性的獨特渦輪風力機。

◾導入垂直軸式渦輪風力機

現今海水淡化過程中所需消耗電力約為每立方公尺3.5 度 (kwh/m3)，舉例來說，2015 年以色列生產的電力總量約有 4% 用於海水淡化。除了這樣巨量能源消耗所帶來的高昂環境成本之外 (因為以色列主要是以化石燃料來產生電力)，由於淡化與淨化水所需的高能源損耗，導致這個技術難以推廣到世界上數十億需要乾淨飲用水卻無法取得的人群所處的地區。
 

這項新發明的核心技術是一種新式的渦輪風力機－垂直軸式渦輪風力機 (vertical axis wind turbine, VAWT)。此渦輪風力機環繞著垂直軸旋轉 (如同打蛋器一般)，不像我們所熟知的水平軸式式渦輪風力機。即使水平軸式渦輪風力機相當盛行，但以色列理工學院 David Greenblatt 教授所帶領的流體控制實驗室的研究方向卻是具有高效率葉片配置的垂直軸式渦輪風力機。以色列理工學院機械工程學院 David Keisar 博士在 Greenblatt 教授指導下完成這個研究，他表示：「普通渦輪風力機葉片尖端旋轉速度會比推動它的風快 7 倍，而我們設計的渦輪風力機的葉片旋轉速度約與風速一致，也就是比傳統渦輪風力機慢了 7 倍。因此我們設計的垂直軸式渦輪風力機即使在低風速的情況下，也能運作良好。就它的尺寸與轉速而言，它產生能量的效率非常高。」 Keisar 博士表示，垂直軸式渦輪風力機的緩慢旋轉特性使其比水平軸式式渦輪風力機安靜許多，且相對於鳥類而言，更加安全，因為鳥類可以看到葉片而不至於飛入旋轉葉片之中。

Keisar 表示，使用垂直軸式渦輪風力機的另一個好處是，旋轉葉片直接連接到橫跨發電機的軸上，這樣不論是發電機或是其它需要使用到其轉速的設備，皆可以靠近地面放置，而不是像水平軸式渦輪風力機一樣，需要放置在其頂部。

這一個設計簡化了其安裝方式且擁有簡易完成日常操作與維護的特性。垂直軸式渦輪風力機的另一個重要優勢是，無論風向是哪個方向都可以旋轉，這與水平軸式渦輪風力機需要在迎風或是逆風狀態下才能有效運作的特性不同。

◾適用於小型系統的渦輪風力機

從以上各個優點看來，不禁讓我們想到一個問題，為什麼我們不使用垂直軸式渦輪風力機來代替廣泛使用的水平軸式渦輪風力機呢？Keisar解釋道：「水平軸式渦輪風力機依舊是產生大功率電力的首選，從經濟層面來看，其是大規模發電下效率最高的發電機。」此外，他補充說明，垂直軸式渦輪風力機的軸與軸承比起水平軸式同類型發電機來說，更容易散開與斷裂。

Keisar 有自信地說：「然而，這個問題主要出現在大型垂直軸式渦輪風力機上，當它們在小尺寸時，仍然擁有良好工作能力並且更穩固。」因此，在非專業人員遠距離操作下的小型系統中，垂直軸式渦輪風力機能夠在各種風向且低風速下輕易操作運行的優點，使其成為了比水平軸式渦輪風力機更好的解決方案。

◾系統規劃的雛形

Greenblatt 教授這個研究的目標是開發一種能夠直接從風能來提供動力的小型簡易海水淡化系統。研究人員們聚焦於淡化鹽分濃度於 1%以下的鹽淡水。(普通海水的鹽分濃度超過 3%)

Keisar 說：「我們發現到垂直軸式渦輪風力機的軸能夠以機械連結的方式連接到地面上的水汞(無需額外發電來讓水汞運轉)，藉此來啟動海水淡化過程。」也就是說，在這樣的系統中，渦輪風力機的旋轉軸直接連連到水汞中的軸。作為初步測試，研究人員將水汞連接到放置於風洞系統內的垂直軸式渦輪風力機，水汞透過逆滲透海水淡化系統對鹽淡水加壓 (此方法目前應用於以色列與世界各地主流的海水淡化系統)。逆滲透涉及了使用高壓驅動海水或是鹽淡水通過半透膜 (水能夠自由通過，高達 99% 的鹽無法通過)。在經過半透膜後，水就成為了可飲用水，而且幾乎不含鹽分。

Keisar 表示：「我們建立了一個系統，可以將約 12%－17% 的風能輸入直接轉化成水力，幾乎適用於任何風速，且適用於特定範圍濃度的鹽水。相較於利用風能發電然後藉由電動汞將其轉化成液壓，其效率不僅相當，甚至有著更高的效率。例如，以我們大學所在的海法為例，當風速為每秒 5 公尺時，此系統能夠生產 500 到 1000 公升的淡化水，並且移除了約 93%－98.5% 的鹽。」

「當然，考量到此實驗僅使用了一個小型系統，我們需要承認這是非常少量的水。為了後續實驗，研究人員們規劃於 Negev 或是 Arava 地區建立一個更大的系統進行測試，這樣的系統將能用來提供該社區所需的新鮮飲用水。」

◾對於缺水者的好消息

研究人員所開發的這個簡易系統將可能對全球帶來革命性影響，因為其適用於無法獲得乾淨飲用水且能源匱乏的地區。根據聯合國數據顯示，目前約有 12 億人處在這種困境之中，而根據目前的預測，直到 2030 年，這個數字將會持續成長到約 16 億人。Keisar 表示：「實際上，我們所開發的系統完全不需要從電力供應網路或是任何能源系統來供電。此系統體積小且不需要電子元件，因此成本低廉，同時又有容易進行維護與維修的機械特性，即使沒有經過特殊培訓的人也能夠輕易安裝並且維護此系統。」

目前此系統正在申請專利中，並且打算商業化。他們希望能夠向有需要的社區提供此套海水淡化系統，並且在數年內開始啟動運轉。根據 Keisar 的說法，海水淡化並不是這套系統的唯一應用，它還可以用來改善一般飲用水水質，因為其也可以用來連接到清除各種水污染物的設備上，藉此淨化水質。他們的想法是開發不同的系統，並且將垂直軸式渦輪風力機與水處理設備結合，形成一套簡單價格實惠且便於管理維運的系統。

資料來源：

https://www.technion.ac.il/en/2023/03/blowing-in-the-wind/