現(xiàn)代實(shí)用型風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置的開發(fā)與應(yīng)用探析

郭德天

大連理工大學(xué)

引言

我們知道，最古老的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置是風(fēng)車。隨著時(shí)代的發(fā)展以及人們對(duì)風(fēng)能的不斷開發(fā)和研究，許多現(xiàn)代化并且實(shí)用性強(qiáng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置應(yīng)運(yùn)而生。早在上世紀(jì)三十年代，美、蘇兩國就嘗試著去完成大型風(fēng)力機(jī)的制作。當(dāng)時(shí)間推移到70年代，大型風(fēng)力機(jī)組已經(jīng)在工業(yè)發(fā)達(dá)的歐美國家中較為普及，其最大發(fā)電量可達(dá)到7.3兆瓦。當(dāng)今世上一些國家對(duì)大型風(fēng)力機(jī)組的開發(fā)途徑不外乎兩個(gè)：一是立足于立軸式和水平軸鋒利組的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)和完善工作，使裝機(jī)容量得到根本擴(kuò)大和保障；第二種是不拘泥于傳統(tǒng)，重新構(gòu)思并開發(fā)。本文著眼于一些前景美好，與時(shí)俱進(jìn)并實(shí)用性高的風(fēng)能轉(zhuǎn)換裝置，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行探討。

1.斜軸式風(fēng)力機(jī)

這種風(fēng)力機(jī)的特點(diǎn)在于，其轉(zhuǎn)軸與地面呈傾斜裝，并且軸和葉片之間的夾角在90度以內(nèi)，是一種新型的且比較常用的風(fēng)力機(jī)，其突出優(yōu)點(diǎn)就是使用便捷、操作簡單。它綜合了立軸風(fēng)力機(jī)和水平軸風(fēng)力機(jī)兩者的優(yōu)勢，不用依賴于塔架，并且對(duì)基礎(chǔ)也不作出較高要求。除此之外，發(fā)電機(jī)和變速箱這些“重量級(jí)部件”都可以放在底部，從而讓整個(gè)結(jié)構(gòu)看上去協(xié)調(diào)。葉片比較粗厚耐磨，性價(jià)比很高，如果把它安裝在海面船上，它就可以迎風(fēng)而運(yùn)作。就不再需要偏航裝置，也不需要專門為其鑄造一個(gè)平臺(tái)，降低成本，減少了不必要的資源浪費(fèi)。與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)相比，其成本節(jié)約了五成左右[1]。

一位名為瓦格納爾的工程師曾經(jīng)設(shè)計(jì)過一個(gè)斜軸式風(fēng)力機(jī)。它的軸和水平面的夾角為55度，兩個(gè)葉片的長短各不相同，呈110度角，它們由繩索串聯(lián)著，被裝置在軸的兩邊。這種斜軸式風(fēng)力機(jī)的樣機(jī)大約為250千瓦。并且，已經(jīng)在北海的船上投入使用了很多年。并且這位工程師始終相信，一臺(tái)斜軸發(fā)電機(jī)，即使葉片的長度達(dá)到370米，風(fēng)輪重大810頓，也能發(fā)出十萬千瓦功率的電能，只要風(fēng)俗為每秒十五米即可。并且，我國合肥工大的某位研究者在上世紀(jì)八十年代中期也研究出來一個(gè)100千瓦的斜軸風(fēng)力機(jī)，雖然只是模型。然而通過對(duì)模型的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)，這種機(jī)型自身的特征呈現(xiàn)出多樣化，與傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)相比，能節(jié)約近四成的成本，也認(rèn)為這種機(jī)型在未來會(huì)得到良好的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)普及率。

2.擴(kuò)散式和聚風(fēng)式風(fēng)力機(jī)

為了提升水平軸風(fēng)力機(jī)的出力程度，導(dǎo)流器或尾翼是必不可少的。這兩種都隸屬于導(dǎo)流增力型風(fēng)力機(jī)地翻出之內(nèi)[2]。導(dǎo)流器的形狀類似于罐裝，并且兩端的粗細(xì)不一。

擴(kuò)散式風(fēng)力機(jī)的擴(kuò)散器被安裝在風(fēng)輪的后面，并且擴(kuò)散器通常都是前粗后細(xì)的。這樣就能讓風(fēng)輪的后部產(chǎn)生負(fù)壓，從而提升并保障了螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，機(jī)組輸出功率也跟著提升。紐約州的，一家名為格魯曼的著名航空公司進(jìn)行過一個(gè)風(fēng)動(dòng)測驗(yàn)，其結(jié)果證明，和傳統(tǒng)的不帶擴(kuò)散器風(fēng)機(jī)相比，帶有擴(kuò)散器的風(fēng)機(jī)能多發(fā)出三倍甚至更多的電。

與剛才說到的擴(kuò)散式風(fēng)力機(jī)相反，聚風(fēng)式的風(fēng)力機(jī)的聚風(fēng)器雖也是前粗后細(xì)，其安裝位置確實(shí)風(fēng)輪的前部，旨在讓它的前端和后端分別形成高壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，從而達(dá)到提升葉片旋轉(zhuǎn)速度的目的，從而同樣增加機(jī)組的處理程度。加了聚風(fēng)器的風(fēng)輪比傳統(tǒng)風(fēng)輪快三倍左右。如今，研究并實(shí)驗(yàn)這種風(fēng)機(jī)的國家比較多。早在八十年代初期，蘇聯(lián)某勘測設(shè)計(jì)科研組就研究出了一種全新的方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配有聚風(fēng)裝置的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組精確化的功率計(jì)算，并且還能不斷優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。即建立一個(gè)龐大的風(fēng)力發(fā)電站，塔架的高達(dá)500米，寬度約180米，上面安裝的是多個(gè)聚風(fēng)式風(fēng)輪，其直徑長達(dá)35米，讓人驚嘆，能發(fā)出十多兆瓦的電能，然而，成本很高，損耗較大，有些“得不償失”，故而不宜真正投入使用[3]。

3.龍卷風(fēng)式（旋風(fēng)式）風(fēng)力機(jī)

龍卷風(fēng)式風(fēng)力機(jī)，從其名稱來看，顯然是從龍卷風(fēng)的形成原因而得到的靈感。它的組成部分有文氏管、立軸式風(fēng)力機(jī)以及旋風(fēng)器。在旋風(fēng)器的周邊分布著大量小窗口，每個(gè)窗口都有一扇可側(cè)面打開的校門。在實(shí)際運(yùn)作的時(shí)，這些小門就都會(huì)呈開啟狀態(tài)，而被封的一面上的小門都是緊閉的[4]。故而，從一側(cè)進(jìn)來的氣流根本不能實(shí)現(xiàn)對(duì)流，就沿著旋風(fēng)器壁一直旋轉(zhuǎn)。這樣一來，大氣壓就高于其漩渦中心的氣壓，從而導(dǎo)致外界的氣流猛烈吸入文氏管內(nèi)沖過風(fēng)輪，最后進(jìn)入到旋風(fēng)器里面。兩股氣流爭相擠壓并上升，最終形成“龍卷風(fēng)”。因此風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)速度就被進(jìn)一步加快，最終同樣達(dá)到增加機(jī)組出力的目的。前蘇聯(lián)的相關(guān)專家們進(jìn)行過詳細(xì)而周密的計(jì)算，他們發(fā)現(xiàn)，如果旋風(fēng)的直徑長達(dá)200米，它的功率可達(dá)到3萬兆瓦，換算之后，發(fā)現(xiàn)這樣的功率與10做巨型電站的功率不相上下。并且，動(dòng)力學(xué)家制造出了一個(gè)龍卷風(fēng)模擬機(jī)，其效果驚人——功率竟是傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)的十倍。

4.太陽能——風(fēng)力發(fā)電塔

這個(gè)設(shè)想的先驅(qū)者是西德斯圖加特大學(xué)，其根據(jù)是溫室-風(fēng)輪-煙囪的原理，是一種新型而別致的發(fā)電系統(tǒng)。早在上世紀(jì)八十年代初期，西班牙公用電力公司和西德技術(shù)研究部就研發(fā)出了一個(gè)100千瓦的實(shí)驗(yàn)裝置，此裝置坐落在西班牙的拉曼查地區(qū)。風(fēng)塔的高度達(dá)到200米，直徑十米左右，塔下四周的太陽能溫室直徑為250米，這個(gè)溫室由鋼架支撐，并覆蓋著透明塑料。風(fēng)口部和塔頂都安裝著電機(jī)組。由于有太陽能的加熱，溫室里的氣溫和外面相比，存在20攝氏度的溫差。當(dāng)空氣猛然塔筒上升的時(shí)候，風(fēng)能就能被驅(qū)動(dòng)，從而產(chǎn)生電能。專家同樣進(jìn)行了一系列的緊密計(jì)算，得出的結(jié)果是，當(dāng)風(fēng)塔的高度達(dá)到900米時(shí)，其需要投入的成本很低，僅為每千克2000馬克而已。

5.結(jié)束語

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及人口的不斷增多，廣大國民對(duì)各種能源的需求越來越高。又因?yàn)殡娔苁且环N“無選擇性需求”，也是國民最為依賴，不可缺少的，對(duì)其日常生活起到根本支撐作用的能源，故而更加稀缺。能夠發(fā)電的能源不止風(fēng)能一種，然而由于風(fēng)能是一種無成本，并且取之不盡用之不竭的能源，加之風(fēng)對(duì)環(huán)境不會(huì)造成任何損害和破壞。在這種巨大優(yōu)勢下，如果能將風(fēng)轉(zhuǎn)化為電，電能緊張的問題就能迎刃而解。然而在坐擁諸多優(yōu)勢的同時(shí)，風(fēng)能還有著穩(wěn)定性差、不可儲(chǔ)存等同樣明顯的劣勢。故而，欲實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的利用，就必須開發(fā)出極具實(shí)用性的轉(zhuǎn)化裝置。本文對(duì)幾個(gè)前景廣闊，能滿足實(shí)際需求的轉(zhuǎn)化裝置進(jìn)行了分析和探討，例如斜軸式風(fēng)力機(jī)、擴(kuò)散式風(fēng)力機(jī)、聚風(fēng)式風(fēng)力機(jī)、龍卷風(fēng)式（旋風(fēng)式）風(fēng)力機(jī)以及太陽能（風(fēng)力發(fā)電塔）等等，具有一定的參考價(jià)值。

[1]吳春艷.風(fēng)力發(fā)電機(jī)在地震-風(fēng)力作用下的載荷計(jì)算[J].中國機(jī)械工程，2011(18)：76-78

[2]陳余岳,蔣學(xué)忠，歐陽滔.大型風(fēng)力玻璃鋼葉片疲勞問題探討[A].第十四屆玻璃鋼/復(fù)合材料學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C]，2010

[3]白云飛,王珊珊，周宏偉.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)技術(shù)研究綜述及葉片等效模型的建立[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010

[4]陳新廠,王明，周宏.大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輪轂的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué)，

2009