所以,目前风力发电机选址时有一些参考原则:
1.风力机周围1km内,特别是上风向,不应有障碍物
2.塔架高度应在障碍物高度的三倍以上
3.开阔平原和海岸线
4.选在平滑度小山上,周围是低地,或者湖泊或海中的小岛上,则风速大大增加
5.没有山的平原上,增加塔架高度可以提高功率
6.海岸边平滑的小山上,特别是当海风吹来时可获得满意的效果
2.提高风力发电机的安全性
(1)值得一提的是,在风力机的顶部安装了气压调节孔,使风机内部压力保持稳定
(2)可配合安装风向标和风速计,连接上计算机就可以实现对气孔开闭的智能控制
(3)球壳的上下可伸缩设计,可以保证在有强风时半缩入地下,加强了风机的安全性(甚至保持小功率状态工作)
(4)球壳材料可以加设消音材料,减少机械噪声污染
(二)现有风力发电机型
现如今各个国家里投入生产的风力发电机主要分两大类:
1.水平轴形:
(1)螺旋桨形(详见附图五)
(2)荷兰风车(详见附图六)
(3)多叶式(详见附图七)
(4)Enfield-Andreau式
(5)帆翼式
(6)透平式
(7)集风式和扩散式
(8)径流吸力式
2.垂直轴形:
(1)风杯式
(2)Savonius式
四.创新设计
总结以上观点,在查阅了许多资料后,我得出了如下的新的设计方案.
(一)主要设计如图所示:
(二)工作原理:
当迎面风吹来时,通过外壳上的网孔(外壳表面设计成分层网孔状)进入风力发电机中,经过栅板的导流作用,使得每层内的气流汇聚形成漩涡.在汇聚过程中,气流仍能以传统方式推动叶轮转动,带动叶轮背面的磁极同时转动,而外壳内侧分布着的导线中便产生了电流(原理同磁电式发电机).另外,当漩涡气流汇聚到中央气流通道后,沿着管道输送到地下.管道内壁可设计成渐缩形用来加速气流,在路径上又可以增加多个二次利用的发电机组将高速气流的动能再次转化成电能.甚至再出口出也可以将风能转化为机械的轴功.最终,风力机产生的电,二次利用的发电机产生的电都由输电线输送到蓄电池中.
一.引言
进入21世纪,随着科学经济的迅速发展,人类对资源的开采利用已经达到一个疯狂的地步,而且因为使用化石能源产生的环境污染与破坏也达到了惊人的程度.资源的匮乏与枯竭和环境的恶劣变化越来越受到人们的重视.为此,各个国家都在积极寻找替代资源来弥补能源不足,尽最大努力试验清洁能源,减少环境压力.
尽管太阳能,风能,水能,地热能等等新能源相继被人们发现,但是想要利用这些能源在技术上还有很多限制.就拿风能来说,它是人类开发出的第一种非动物源的能源.风能的使用已有几千年的历史了.风能有以下的优点:如资源丰富,分布广泛,可以再生,没有污染;可是也伴随着一些缺点:如密度低,不稳定,地区差异大.
开发利用可再生能源,逐步替代化石能源,是一件功在当代利在千秋的大事.作为新时代的大学生,我们的责任任重道远.
六.参考资料
[1]左然 施明恒 王希麟 可再生能源概论 北京:机械工艺出版社,2007.6
[2]邓英 风力发电机组设计与技术 北京:化学工业出版社,2011.7
[3]吴双群 赵丹平 风力机空气动力学 北京:北京大学出版社,2011.10
(二)减少风力机的功耗
传统风力机(例如水平轴风力机)的桨叶和发电机之间采用传动轴相连,还要有对风装置,所以我想能否将中间的过程省略来减小摩擦等因素造成的功耗散,结果让我想到将桨叶与发电机合二为一,直接发电.
(三)保障风力机安全
传统风力机的桨叶时常发生与飞鸟相撞的事故,所以让我想到能否安装一个保护外壳把叶片保护起来,结果就让我想到把叶片改为内置式,这样就可以延长叶片的使用寿命.
二.对传统风力发电机的分析与思考
(一)风力发电机选址条件
传统的风力发电机组(详见附图四)已经投入生产,但是仍有很大的改进空间,况且传统风力机的选址要求苛刻,需要的条件包括:
1.风能资源丰富
2.具有较稳定风向
3.风速比较稳定
4.湍流小
5.自然灾害小
所以对风力发电机装置的改进,提高其适应性和发电效率,已经成为科学家们研究的热点.
[4]王承熙 张源 风力发电 北京:中国电力出版社2002.8
[5](日)牛山 泉 风能技术 刘薇 李岩译 北京:科学出版社2009
七.附录
附图一:
附图二:
附图三:
附图四:
附图五:
附图六:
附图七:
附图八:
附图九:
(三)设计分析:
新的设计方案主要想从两个方面改进风力发电机,提高其适应性能.
1.提高风力发电机的效率
(1)在最长内径相同的条件下,圆形的表面积最大,所以当迎面风吹来时,可以有最大的迎面接触面积. > .
(2)外壳为球形设计,较现有的风力机而言,可不需要安装对风装置
(3)进气栅板增加了对进气流的作用,使装置内的叶轮获得更大的动力,即使风力较小时,仍能创造漩涡流供二次利用的发电机工作,提高风能利用效率
(一)增加风能的能流量
1.传统风力机都只是将叶片直接与风接触,前期并没有进行任何处理,这样的来流风的能流量并不是很高,所以我想到能否加设收集装置(就像锅炉有预热器一样),对风做前期处理,结果让我想到了球壳外形,可以从各个方向收集风;而且内部安装了导流栅板,形成漩涡,可以增加风的能流.
2.传统风力机对来流风只利用了一次,所以我想能否对风进行二次利用,结果让我想到用管道收集气流,并沿途增加二次利用的发电机,提高风能利用效率.
(5)将叶轮内置在球形外壳中,减小了叶片与飞鸟的碰撞概率,保护了风力机的安全,延长了风力机的使用寿命
五.结束语
经过这次的课程设计,我获得了极大的锻炼,也学到许多新的知识,对利用可再生能源有了更深刻的了解.这次对风力发电机改进的尝试,虽然有奇思妙想,但是也有不足,比如,新型风力机适于陆地而不适于海洋.所以不断改进完善仍是一条长远之路.
(3)Darrieus式(详见附图八)
(4)旋翼式(详见附图九)
(5)涡轮式
(6)S式和D式风轮组合式
(7)塞内加尔式
(8)可变几何式
(9)塑性尾缘式
(10)摆动式
(11)帆翼式
(12)旋涡式
尽管有如此多类型的风力发电机,但是为风力发电机选址仍旧有着严格的要求.
(三)阻碍风力发电机发展的障碍
风力发电机选址面临的问题大致有:1噪音,2电磁干扰,3视觉影响,4风力机和鸟,5安全性,6遮蔽闪光,7对动植物的影响.
7.气流遇到独立的山峰时,往往绕过而不是从山顶上吹过,装在山顶上的风机效果并不好8.装在渐缩形的山谷口,可提高风速
9.内陆小山周围近距离环绕着相同度的山或高地,得到低名义风速和湍流气流
10.大面积高地和陡崖上会形成漩涡气流,对风机安装不利.
三.创新设计突破点
为了解决其中的一些问题,经过多方查阅资料,渐渐对风力发电机有了些改进的想法,看能否将其应用在更加复杂的地区.大致改进方向为三个方面:
现代风能利用最吸引人的地方,风能可以在大范围内无污染地发电,提供给独立用户或输送到中央电网.世界各国也已经大力研发和投产了许多风力发电设备(详见附图一).因此,更好的改进和完善风力发电技术迫在眉睫.
要更好的利用风能,就要对风有深刻的了解.风能是太阳能的一种形式,它主要是由气压梯度和地球自转等等因素产生的.在我国辽阔的土地上,风能资源丰富,特别是东南沿海及附近岛屿,不仅风能密度大,年平均风速也高,发展风能利用潜力很大.在内陆地区,从东北,内蒙古,到甘肃河西走廊及新疆一带的广阔区域,风能资源也很好.华北和青藏高原有些地方也能利用风能(详见附图二).面对如此巨大的无污染的可再生能源,开发利用好对我们来说任重道远.事实上我们国家也已经大力提倡并开发了风力发电行业,并取得了一定的成果(详见附图三).但是这还不够,还需要从改进风力发电机入手,提高风力发电机的发电效率.
(4)叶轮与磁极的”绑定”式设计,将风力收集装置与发电机合二为一,减少了现有机型中的传动能量损失,提高了风能利用效率
(5)在排气通道内的高速气流也可以被增加的二次利用的发电机组所利用,达到多次利用的效果,提高风能的利用效率
(6)多方向进气以及气孔灵活的开闭控制,克服了风向与风速随机性的困扰,可适应风能丰富但变化复杂的地区,以提高风能的利用效率