垂直軸流體動能轉換裝置

　　

垂直軸流體動能轉換裝置

[一種小型的垂直軸式風力機示意圖] （研究簡介） ??? "垂直軸流體動能轉換裝置"是一種葉片和回轉軸都垂直設置的流體動能轉換裝置。它可以是風力機，也可以是水輪機。它的特征是它能實現目前國內外所有同類裝置中最高的轉換效率。 ??? 風力機是一種將風能轉換成機械能的裝置，風能是一種可再生的最潔凈（對環境最無影響）的可應用地域最為廣泛的能源，因此，近年來世界各國對于風能的開發利用都在積極投入力量，甚至像英國老牌的殼牌石油公司也投資搞風力發電了，而殼牌石油公司在能源界的名聲可是非常顯赫的，如此一個老謀深算的石油巨頭，忽然涉足風力發電，至少說明了二點，其一是礦物能源并非是取之不盡的，更何況礦物能源向大氣層大量排放二氧化碳正受到國際輿論的強力批評，其二是在無污染可再生的能源中，目前最看好的還是風能。事實上，太陽向宇宙空間發射的輻射功率為 kW的輻射值，其中20億分之一到達地球大氣層。到達地球大氣層的太陽能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，其余的到達地球表面，其功率為 kW。其中７０％是照射在海洋上，于是僅剩下約 千瓦-小時投射在人類居住的陸地上，這個數值約為美國１９７８年所消費能６０００倍。能量是不滅的，因此包括照射在海洋上的太陽能制造了地球大氣層內的水汽循環，也就是形成了風、雨、雪，我們已經知道風是風能，雨雪最后形成了水利資源，而人們僅僅只開發了地球上的一小部分水能就足夠人類的需要了，由此可見，只要人們再努力一把，更多地開發利用地球上的可再生流體動能，人們就完全可以擺脫對煤、石油、天然氣等礦物能源的依賴，完全用上潔凈的可再生能源。 ??? 在風力機中，當前世界上最流行的是水平軸螺旋槳式風力機。人們如今對這種出自歐洲的最古老的風力機作了最先進的現代化武裝，使得這種風力機的風能利用率越來越高，單機裝機容量也越來越大。然而水平軸螺旋槳式風力機其實并不是一種最好的風力機，因為它有一些致命的缺陷是無法克服的，例如它只能一次截能（風只能通過風力機葉片的掃掠區一次），雖然也有前后各裝一組葉片的設計，但由于距離太近，意義不大，因而得不到推廣應用。而從理論上講，風通過與風向垂直設置的水平軸螺旋槳式風力機葉片的掃掠區一次理論上最多只能截獲所通過的全部風能59.3%，并且事實上因為包括下述的原因在內的各種原因，它的風能利用率會遠低于這個數。1、運行中的葉片只能夠利用流體動能中由升力作用而產生的機械能，而不能利用阻力產生的機械能。只此一點就可以知道水平軸螺旋槳式風力機做不到最大限度地截留風能。2、在風場中，在通常的地表狀況下，在近地有限高度內風速梯度的曲線彎曲是比較大的，《風力發電》上的一篇文章指出，在水平軸螺旋槳式風力機一般的安裝高度范圍內，高度每下降5米，風速要降低大約7%，按此計算，對于直徑有40米裝機容量在500千瓦左右的風力機來說，在風機葉片頂端垂直最高點與垂直最低點，其風速可以相差50%以上，這意味著什么？這意味著在葉片的整個掃描區域中，只有很小一個的區域內的葉片是處在最佳的風能利用狀況下，這對螺旋槳式風力機來說是致命的，因為這無法避免，同時這也決定了螺旋槳式風力機的風能利用系數不可能做得很高。3、現今的螺旋槳式風力機的尖速比（Top Speed? Ratio）大約在4、5左右，這意味著風力機葉片尖端的線速度是風速的4、5倍，大型的螺旋槳式風力機的葉片回轉直徑有40米以上，而風能有利用價值的風速通常都在10米/秒以上，單張葉片重達數百公斤甚至一噸以上，物理直覺也能想象，葉片將會受到巨大的離心力的作用，更何況螺旋槳式風力機的葉片的受力模型是一種叫懸臂梁的結構，這是一種內力狀況比較差的受力模型，因此對于葉片的材質有非?？量痰囊?。事實上一些先進國家進口的風力機葉片都是碳纖維增強樹脂在非常嚴格的條件下制造出來的，自然價格就極昂貴了，非但如此，葉片還是一種易損品，這一切都要打到發出電的單價成本中去。這個特點一方面限制了螺旋槳式風力機的普及應用，另一方面也表明了再要擴大螺旋槳式風力機的單機裝機容量是非常困難的。4、水平軸螺旋槳式風力機必須要有機頭、塔架，在風機葉片掃描的區域中的機頭、塔架不可避免地會影響風能的充分利用，事實上螺旋槳式風力機在中心附近的風能利用率本來就是較低的，這使得這種風力機本來就有限的截風面積帶來了損失，而且這是無法避免的。 ??? 筆者曾對一種垂直軸式風力機進行了多年的研究（外形請見文末附圖），這項研究最早開始于1984年，當時的設計還很簡單，直至1995年才基本上形成了今天的構思。我的設計曾請教過國內多位風電事業的權威，有中國空氣動力研究中心中國風力發電協會理事長賀德馨先生，清華大學電機系教授中國風力發電協會付理事長王承熙先生以及多位大學博士生導師，至今未見指出本設計存在致命缺陷的意見過。本人也曾因這項設計兩次參加了中國風力發電協會召集的全國性會議，一次是在1984年的酒泉，另一次是在2001年的青島，在青島會議上本人還公示了介紹這一設計的幻燈片。研究結果表明，垂直軸式的風力機在許多地方要比水平軸式的螺旋槳式風力機更有優越性，以下就幾個方面來加以說明。 ??? 1、垂直軸式的風力機比水平軸式的螺旋槳式風力機有高得多的風能利用系數。從物理直覺中我們也可以來說明這一點：垂直軸式風力機，顧名思義，它的葉片是垂直設置的，這些葉片環繞著一根同樣垂直的軸回轉，因此，徑向穿過風力機轉子的風有兩次與葉片交會的機會，這就意味著垂直軸式風力機有兩次截取風能的機會，僅這一點就表明垂直軸式風力機有可能更充分地截留風能。 ??? 2、本人研究的這一種風力機的葉片具有一種無論葉片在什么相位上它都能具有在這個位置上最大限度地截留風能的能力，這里所說的“最大限度地截留風能的能力”指的是運行中的這種垂直軸式風力機上的葉片，流體動力（升力與阻力的矢量和）在葉片運動方向上的投影有更大的分量，事實上在某些相位上，這流體動力的作用方向甚至是和葉片的運動方向一致的，而這種現象對水平軸螺旋槳式風力機來說是不可能做到的。計算機模擬運行證明，它的風能利用率在理論上可以達到80%以上，實際運行可以預期達到或超過60%，也就是說可以比水平軸螺旋槳式風力機的風能利用率高出50%。因此它的推廣應用完全有可能成為人們在利用可再生流體動能的最終解決方案，完全有可能取代當前風靡全世界水平軸螺旋槳式風力機。 ??? 3、如前文講到的風速梯度的問題，這對于垂直軸式風力機則是很容易解決，因為我們只須將垂直的葉片扭轉一個角度，就可以做到葉片從上到下都將處在最利于風能的截留，這意味著同樣大小的截風面積，垂直軸式風力機可以獲得比水平軸螺旋槳式風力機有更大的面積是處于最佳的風能利用狀況下，這更進一步地造成了垂直軸式風力機有更高的風能利用系數。 ??? 4、垂直軸式風力機可以做成低轉速多葉片構造的，這將大大地降低了風力機對于葉片材質的要求。不單如此，垂直軸式風力機的葉片是以簡支梁或多跨連續梁的力學模型架設在風力機的轉子上的，這不但有利于降低對于風力機材質的要求，而且對于風力機的使用壽命大有幫助。事實上垂直軸式風力機并不要求特殊的材料來制造，完全適于中國民族工業的現實水平。 ??? 5、風在通過垂直軸式風力機的轉子過程中，除葉片之外，幾乎沒有任何阻擋物存在，氣流非常暢通地通過風力機的轉子，這本身就暗示著這風力機的性能良好。 ??? 6、本人設計的這一種垂直軸式風力機是一種能夠自動適應連續不斷地變化的風向風速，甚至風能利用率控制上都能很容易進行實施，大家知道這些對于利用風能來說是很重要的。 ??? 7、垂直軸式風力機的葉片（長軸方向）與回轉軸都是垂直設置的，這意味著轉子在將風能轉變成機械能以后，在將機械能轉變為電能的過程可以在地面上進行，這就為使將動能轉變為電能的過程中間插入一個軟調節環節創造可能，所謂的“軟調節環節”這里是指緩沖、儲能、轉變能量形式的操作。由于“軟調節環節”的存在，我們就不必再顧忌因為電力的工頻輸出而努力使風力機的轉子保持恒轉速的運行了，也就是說我們可以力圖使轉子保持恒尖速比運行，恒尖速比運行與恒轉速運行是不可同日而語的。人們搞風力發電為的就是最大限度地變風能為電能，如果 我們能夠做到最大限度地變風能為電能，有什么理由不去做呢？近年推出的“兆瓦級雙饋異步風力發電機”從根本上解決了恒尖速比風力發電的關鍵技術，可以不用或者用“軟調節環節”作為補充，從而根本上解決了最大限度地利用風能的技術關鍵。 ??? 垂直軸式風力機可以做成小型、中型和大型，單機裝機容量可以從數十千瓦到十多兆瓦甚至更大，應用的地域可以從守防海防的孤獨的小海島到廣袤的大沙漠大草原。更加上能夠高效率地利用風能，垂直軸式風力機高效率的特征不僅使風能的利用更為現實，而且完全有可能取代礦物能源而成為一種符全當前環保理念的綠色能源獲取裝置。 ??? 垂直軸式風力機的設計原理除了能用于風能利用外，由于全部理論分析和計算中沒有必要也沒有計入空氣與另一種流體形態“水”的本質性差異，即空氣的可壓縮性，再加上水與空氣的密度相差814倍這一特點，這種垂直軸式風力機的工作原理也就完全可以應用于水力發電，從而成為一種超低水頭（只需流速可以不要落差）的水輪機，例如將一臺垂直軸風力機放到江河中去，如果這臺風力機在風速為16米/秒的發電功率是500千瓦，那么同樣是這樣大的發電功率要求的水流速度是1.713米/秒就夠了，這意味著這種垂直軸水輪機可以利用江河這樣的地面涇流直接發電，這對利用水力發電是非常重要的。直接利用江河水的流速進行高效率的發電，意味著不用建造大壩水庫，這不但保護了生態環境，也防止了人為的水患事件發生。據報道我國每年有70座水庫發生不同程度的水患事件。怒江水利資源（流速達到6至7米/秒）的開發就是因為環保問題而至今難以定論，如果能夠用這樣的水輪機來開發，爭論就可以達成共識。這種水輪機對于利用潮汐或洋流發電非常有利，而且對于當今高壩蓄能式水力發電，由于截斷原始河道而造成已經被破壞的天然生物洄游也能獲得一種非常理想的補救，因為這種超低水頭的水輪機可以從水庫引水發電并構成一條真正意義上的魚道，這主要是因為這種垂直軸式超低水頭的水輪機的轉速很低，以至于它不會對洄游中的生物（魚）造成傷害，而且引水發電的發電效率甚至不低于高壩發電的效率，因而對于蓄積的水能絲毫沒有浪費。中國浙江錢塘江中有一種鰣魚，味道十分鮮美，肉質十分細嫩，其價值遠不是其它魚種所能比較的，但近數十年來產量大減，雖然人工繁殖了，總不能與天然的相媲美。這種在內地繁殖而生長在海洋中的魚就是因為新安江水電站的建造而茍延殘生的，這種現象在美國也同樣存在。如果垂直軸式流體動能轉換裝置引申開發出來的這種超低水頭的水輪機的研制能取得成功經驗，這對這些需要靠洄游來繁衍后代的珍稀魚種實在是一個福音。 ??? 垂直軸式風力機還能夠象螺旋槳式風力機一樣可以用于做成一種垂直軸推進器，并且它的高效率在這方面一樣可以獲得應用，因為流體動能轉換裝置既然能夠把流體動能轉換成機械能，自然也就一定能夠把機械能轉換成流體動能。這樣的垂直軸推進器因為效率高因而相同尺寸推進器的推力更大，因為轉速低因此將是低噪聲的，此外它還有一個螺旋槳式推進器沒有的優點，這就是它能夠做到使船作零轉彎半徑掉頭轉彎，這些特點顯然對國防海軍很有利。 ??? 當前，媒體傳達的信息表明，在風力機研究領域，世界各國都在致力于垂直軸式風力機的研究，因為這中間有著潛在著不能估量的前景。我國的科技界已經以自己的努力證明了，外國能夠做到的，我們中國也能夠做到；外國不能夠做到的，我們中國也能夠做到。這樣的觀點在我國的風電事業也許也能夠實現。我認為，我國的風電事業永遠跟在國外的水平軸螺旋槳式風力機研究的后邊跑是不會有太大的出息的，我國應當盡早地進入垂直軸式風力機研究這個領域。將來的事實也許會證明，在這個領域，誰先涉足誰就有可能先得益，遺憾的是，雖然我國黨中央和政府一直在提倡創新，但事實上卻缺少一個創新發明的保障體系，制定的許多法律也缺乏可操作性，而象我研究的這個課題又如此之大，就好象燈下黑一樣越是重大重要卻偏偏得不到支持，這實在是令人感到無奈。我希望我國能有人支持我的這項研究，讓我國在風電事業領先于世界在垂直軸式風力機研究方面進入實質性的研發。
杭州　中繕（E-Mail: chenzh@mail.hz.zj.cn）
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