垂直軸流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置

　　

垂直軸流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置

[一種小型的垂直軸式風(fēng)力機(jī)示意圖] （研究簡(jiǎn)介） ??? "垂直軸流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置"是一種葉片和回轉(zhuǎn)軸都垂直設(shè)置的流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置。它可以是風(fēng)力機(jī)，也可以是水輪機(jī)。它的特征是它能實(shí)現(xiàn)目前國(guó)內(nèi)外所有同類(lèi)裝置中最高的轉(zhuǎn)換效率。 ??? 風(fēng)力機(jī)是一種將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的裝置，風(fēng)能是一種可再生的最潔凈（對(duì)環(huán)境最無(wú)影響）的可應(yīng)用地域最為廣泛的能源，因此，近年來(lái)世界各國(guó)對(duì)于風(fēng)能的開(kāi)發(fā)利用都在積極投入力量，甚至像英國(guó)老牌的殼牌石油公司也投資搞風(fēng)力發(fā)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(gè)老謀深算的石油巨頭，忽然涉足風(fēng)力發(fā)電，至少說(shuō)明了二點(diǎn)，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(guó)際輿論的強(qiáng)力批評(píng)，其二是在無(wú)污染可再生的能源中，目前最看好的還是風(fēng)能。事實(shí)上，太陽(yáng)向宇宙空間發(fā)射的輻射功率為 kW的輻射值，其中20億分之一到達(dá)地球大氣層。到達(dá)地球大氣層的太陽(yáng)能，30%被大氣層反射，23%被大氣層吸收，其余的到達(dá)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(shí)投射在人類(lèi)居住的陸地上，這個(gè)數(shù)值約為美國(guó)１９７８年所消費(fèi)能６０００倍。能量是不滅的，因此包括照射在海洋上的太陽(yáng)能制造了地球大氣層內(nèi)的水汽循環(huán)，也就是形成了風(fēng)、雨、雪，我們已經(jīng)知道風(fēng)是風(fēng)能，雨雪最后形成了水利資源，而人們僅僅只開(kāi)發(fā)了地球上的一小部分水能就足夠人類(lèi)的需要了，由此可見(jiàn)，只要人們?cè)倥σ话?，更多地開(kāi)發(fā)利用地球上的可再生流體動(dòng)能，人們就完全可以擺脫對(duì)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(fēng)力機(jī)中，當(dāng)前世界上最流行的是水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)。人們?nèi)缃駥?duì)這種出自歐洲的最古老的風(fēng)力機(jī)作了最先進(jìn)的現(xiàn)代化武裝，使得這種風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率越來(lái)越高，單機(jī)裝機(jī)容量也越來(lái)越大。然而水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)其實(shí)并不是一種最好的風(fēng)力機(jī)，因?yàn)樗幸恍┲旅娜毕菔菬o(wú)法克服的，例如它只能一次截能（風(fēng)只能通過(guò)風(fēng)力機(jī)葉片的掃掠區(qū)一次），雖然也有前后各裝一組葉片的設(shè)計(jì)，但由于距離太近，意義不大，因而得不到推廣應(yīng)用。而從理論上講，風(fēng)通過(guò)與風(fēng)向垂直設(shè)置的水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)葉片的掃掠區(qū)一次理論上最多只能截獲所通過(guò)的全部風(fēng)能59.3%，并且事實(shí)上因?yàn)榘ㄏ率龅脑蛟趦?nèi)的各種原因，它的風(fēng)能利用率會(huì)遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)。1、運(yùn)行中的葉片只能夠利用流體動(dòng)能中由升力作用而產(chǎn)生的機(jī)械能，而不能利用阻力產(chǎn)生的機(jī)械能。只此一點(diǎn)就可以知道水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)做不到最大限度地截留風(fēng)能。2、在風(fēng)場(chǎng)中，在通常的地表狀況下，在近地有限高度內(nèi)風(fēng)速梯度的曲線彎曲是比較大的，《風(fēng)力發(fā)電》上的一篇文章指出，在水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)一般的安裝高度范圍內(nèi)，高度每下降5米，風(fēng)速要降低大約7%，按此計(jì)算，對(duì)于直徑有40米裝機(jī)容量在500千瓦左右的風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)，在風(fēng)機(jī)葉片頂端垂直最高點(diǎn)與垂直最低點(diǎn)，其風(fēng)速可以相差50%以上，這意味著什么？這意味著在葉片的整個(gè)掃描區(qū)域中，只有很小一個(gè)的區(qū)域內(nèi)的葉片是處在最佳的風(fēng)能利用狀況下，這對(duì)螺旋槳式風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)是致命的，因?yàn)檫@無(wú)法避免，同時(shí)這也決定了螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)不可能做得很高。3、現(xiàn)今的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的尖速比（Top Speed? Ratio）大約在4、5左右，這意味著風(fēng)力機(jī)葉片尖端的線速度是風(fēng)速的4、5倍，大型的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的葉片回轉(zhuǎn)直徑有40米以上，而風(fēng)能有利用價(jià)值的風(fēng)速通常都在10米/秒以上，單張葉片重達(dá)數(shù)百公斤甚至一噸以上，物理直覺(jué)也能想象，葉片將會(huì)受到巨大的離心力的作用，更何況螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的葉片的受力模型是一種叫懸臂梁的結(jié)構(gòu)，這是一種內(nèi)力狀況比較差的受力模型，因此對(duì)于葉片的材質(zhì)有非常苛刻的要求。事實(shí)上一些先進(jìn)國(guó)家進(jìn)口的風(fēng)力機(jī)葉片都是碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂在非常嚴(yán)格的條件下制造出來(lái)的，自然價(jià)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(fā)出電的單價(jià)成本中去。這個(gè)特點(diǎn)一方面限制了螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的普及應(yīng)用，另一方面也表明了再要擴(kuò)大螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的單機(jī)裝機(jī)容量是非常困難的。4、水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)必須要有機(jī)頭、塔架，在風(fēng)機(jī)葉片掃描的區(qū)域中的機(jī)頭、塔架不可避免地會(huì)影響風(fēng)能的充分利用，事實(shí)上螺旋槳式風(fēng)力機(jī)在中心附近的風(fēng)能利用率本來(lái)就是較低的，這使得這種風(fēng)力機(jī)本來(lái)就有限的截風(fēng)面積帶來(lái)了損失，而且這是無(wú)法避免的。 ??? 筆者曾對(duì)一種垂直軸式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了多年的研究（外形請(qǐng)見(jiàn)文末附圖），這項(xiàng)研究最早開(kāi)始于1984年，當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)還很簡(jiǎn)單，直至1995年才基本上形成了今天的構(gòu)思。我的設(shè)計(jì)曾請(qǐng)教過(guò)國(guó)內(nèi)多位風(fēng)電事業(yè)的權(quán)威，有中國(guó)空氣動(dòng)力研究中心中國(guó)風(fēng)力發(fā)電協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)賀德馨先生，清華大學(xué)電機(jī)系教授中國(guó)風(fēng)力發(fā)電協(xié)會(huì)付理事長(zhǎng)王承熙先生以及多位大學(xué)博士生導(dǎo)師，至今未見(jiàn)指出本設(shè)計(jì)存在致命缺陷的意見(jiàn)過(guò)。本人也曾因這項(xiàng)設(shè)計(jì)兩次參加了中國(guó)風(fēng)力發(fā)電協(xié)會(huì)召集的全國(guó)性會(huì)議，一次是在1984年的酒泉，另一次是在2001年的青島，在青島會(huì)議上本人還公示了介紹這一設(shè)計(jì)的幻燈片。研究結(jié)果表明，垂直軸式的風(fēng)力機(jī)在許多地方要比水平軸式的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)更有優(yōu)越性，以下就幾個(gè)方面來(lái)加以說(shuō)明。 ??? 1、垂直軸式的風(fēng)力機(jī)比水平軸式的螺旋槳式風(fēng)力機(jī)有高得多的風(fēng)能利用系數(shù)。從物理直覺(jué)中我們也可以來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)：垂直軸式風(fēng)力機(jī)，顧名思義，它的葉片是垂直設(shè)置的，這些葉片環(huán)繞著一根同樣垂直的軸回轉(zhuǎn)，因此，徑向穿過(guò)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)子的風(fēng)有兩次與葉片交會(huì)的機(jī)會(huì)，這就意味著垂直軸式風(fēng)力機(jī)有兩次截取風(fēng)能的機(jī)會(huì)，僅這一點(diǎn)就表明垂直軸式風(fēng)力機(jī)有可能更充分地截留風(fēng)能。 ??? 2、本人研究的這一種風(fēng)力機(jī)的葉片具有一種無(wú)論葉片在什么相位上它都能具有在這個(gè)位置上最大限度地截留風(fēng)能的能力，這里所說(shuō)的“最大限度地截留風(fēng)能的能力”指的是運(yùn)行中的這種垂直軸式風(fēng)力機(jī)上的葉片，流體動(dòng)力（升力與阻力的矢量和）在葉片運(yùn)動(dòng)方向上的投影有更大的分量，事實(shí)上在某些相位上，這流體動(dòng)力的作用方向甚至是和葉片的運(yùn)動(dòng)方向一致的，而這種現(xiàn)象對(duì)水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)來(lái)說(shuō)是不可能做到的。計(jì)算機(jī)模擬運(yùn)行證明，它的風(fēng)能利用率在理論上可以達(dá)到80%以上，實(shí)際運(yùn)行可以預(yù)期達(dá)到或超過(guò)60%，也就是說(shuō)可以比水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率高出50%。因此它的推廣應(yīng)用完全有可能成為人們?cè)诶每稍偕黧w動(dòng)能的最終解決方案，完全有可能取代當(dāng)前風(fēng)靡全世界水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)。 ??? 3、如前文講到的風(fēng)速梯度的問(wèn)題，這對(duì)于垂直軸式風(fēng)力機(jī)則是很容易解決，因?yàn)槲覀冎豁殞⒋怪钡娜~片扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度，就可以做到葉片從上到下都將處在最利于風(fēng)能的截留，這意味著同樣大小的截風(fēng)面積，垂直軸式風(fēng)力機(jī)可以獲得比水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)有更大的面積是處于最佳的風(fēng)能利用狀況下，這更進(jìn)一步地造成了垂直軸式風(fēng)力機(jī)有更高的風(fēng)能利用系數(shù)。 ??? 4、垂直軸式風(fēng)力機(jī)可以做成低轉(zhuǎn)速多葉片構(gòu)造的，這將大大地降低了風(fēng)力機(jī)對(duì)于葉片材質(zhì)的要求。不單如此，垂直軸式風(fēng)力機(jī)的葉片是以簡(jiǎn)支梁或多跨連續(xù)梁的力學(xué)模型架設(shè)在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子上的，這不但有利于降低對(duì)于風(fēng)力機(jī)材質(zhì)的要求，而且對(duì)于風(fēng)力機(jī)的使用壽命大有幫助。事實(shí)上垂直軸式風(fēng)力機(jī)并不要求特殊的材料來(lái)制造，完全適于中國(guó)民族工業(yè)的現(xiàn)實(shí)水平。 ??? 5、風(fēng)在通過(guò)垂直軸式風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子過(guò)程中，除葉片之外，幾乎沒(méi)有任何阻擋物存在，氣流非常暢通地通過(guò)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子，這本身就暗示著這風(fēng)力機(jī)的性能良好。 ??? 6、本人設(shè)計(jì)的這一種垂直軸式風(fēng)力機(jī)是一種能夠自動(dòng)適應(yīng)連續(xù)不斷地變化的風(fēng)向風(fēng)速，甚至風(fēng)能利用率控制上都能很容易進(jìn)行實(shí)施，大家知道這些對(duì)于利用風(fēng)能來(lái)說(shuō)是很重要的。 ??? 7、垂直軸式風(fēng)力機(jī)的葉片（長(zhǎng)軸方向）與回轉(zhuǎn)軸都是垂直設(shè)置的，這意味著轉(zhuǎn)子在將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能以后，在將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程可以在地面上進(jìn)行，這就為使將動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^(guò)程中間插入一個(gè)軟調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)創(chuàng)造可能，所謂的“軟調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)”這里是指緩沖、儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)變能量形式的操作。由于“軟調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)”的存在，我們就不必再顧忌因?yàn)殡娏Φ墓ゎl輸出而努力使風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)子保持恒轉(zhuǎn)速的運(yùn)行了，也就是說(shuō)我們可以力圖使轉(zhuǎn)子保持恒尖速比運(yùn)行，恒尖速比運(yùn)行與恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行是不可同日而語(yǔ)的。人們搞風(fēng)力發(fā)電為的就是最大限度地變風(fēng)能為電能，如果 我們能夠做到最大限度地變風(fēng)能為電能，有什么理由不去做呢？近年推出的“兆瓦級(jí)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)”從根本上解決了恒尖速比風(fēng)力發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)，可以不用或者用“軟調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)”作為補(bǔ)充，從而根本上解決了最大限度地利用風(fēng)能的技術(shù)關(guān)鍵。 ??? 垂直軸式風(fēng)力機(jī)可以做成小型、中型和大型，單機(jī)裝機(jī)容量可以從數(shù)十千瓦到十多兆瓦甚至更大，應(yīng)用的地域可以從守防海防的孤獨(dú)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(fēng)能，垂直軸式風(fēng)力機(jī)高效率的特征不僅使風(fēng)能的利用更為現(xiàn)實(shí)，而且完全有可能取代礦物能源而成為一種符全當(dāng)前環(huán)保理念的綠色能源獲取裝置。 ??? 垂直軸式風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)原理除了能用于風(fēng)能利用外，由于全部理論分析和計(jì)算中沒(méi)有必要也沒(méi)有計(jì)入空氣與另一種流體形態(tài)“水”的本質(zhì)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(diǎn)，這種垂直軸式風(fēng)力機(jī)的工作原理也就完全可以應(yīng)用于水力發(fā)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(jī)，例如將一臺(tái)垂直軸風(fēng)力機(jī)放到江河中去，如果這臺(tái)風(fēng)力機(jī)在風(fēng)速為16米/秒的發(fā)電功率是500千瓦，那么同樣是這樣大的發(fā)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(jī)可以利用江河這樣的地面涇流直接發(fā)電，這對(duì)利用水力發(fā)電是非常重要的。直接利用江河水的流速進(jìn)行高效率的發(fā)電，意味著不用建造大壩水庫(kù)，這不但保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，也防止了人為的水患事件發(fā)生。據(jù)報(bào)道我國(guó)每年有70座水庫(kù)發(fā)生不同程度的水患事件。怒江水利資源（流速達(dá)到6至7米/秒）的開(kāi)發(fā)就是因?yàn)?a href="http://www.hntv520.com" title="環(huán)保問(wèn)題" target="_blank">環(huán)保問(wèn)題而至今難以定論，如果能夠用這樣的水輪機(jī)來(lái)開(kāi)發(fā)，爭(zhēng)論就可以達(dá)成共識(shí)。這種水輪機(jī)對(duì)于利用潮汐或洋流發(fā)電非常有利，而且對(duì)于當(dāng)今高壩蓄能式水力發(fā)電，由于截?cái)嘣己拥蓝斐梢呀?jīng)被破壞的天然生物洄游也能獲得一種非常理想的補(bǔ)救，因?yàn)檫@種超低水頭的水輪機(jī)可以從水庫(kù)引水發(fā)電并構(gòu)成一條真正意義上的魚(yú)道，這主要是因?yàn)檫@種垂直軸式超低水頭的水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，以至于它不會(huì)對(duì)洄游中的生物（魚(yú)）造成傷害，而且引水發(fā)電的發(fā)電效率甚至不低于高壩發(fā)電的效率，因而對(duì)于蓄積的水能絲毫沒(méi)有浪費(fèi)。中國(guó)浙江錢(qián)塘江中有一種鰣魚(yú)，味道十分鮮美，肉質(zhì)十分細(xì)嫩，其價(jià)值遠(yuǎn)不是其它魚(yú)種所能比較的，但近數(shù)十年來(lái)產(chǎn)量大減，雖然人工繁殖了，總不能與天然的相媲美。這種在內(nèi)地繁殖而生長(zhǎng)在海洋中的魚(yú)就是因?yàn)樾掳步娬镜慕ㄔ於堁託埳模@種現(xiàn)象在美國(guó)也同樣存在。如果垂直軸式流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置引申開(kāi)發(fā)出來(lái)的這種超低水頭的水輪機(jī)的研制能取得成功經(jīng)驗(yàn)，這對(duì)這些需要靠洄游來(lái)繁衍后代的珍稀魚(yú)種實(shí)在是一個(gè)福音。 ??? 垂直軸式風(fēng)力機(jī)還能夠象螺旋槳式風(fēng)力機(jī)一樣可以用于做成一種垂直軸推進(jìn)器，并且它的高效率在這方面一樣可以獲得應(yīng)用，因?yàn)榱黧w動(dòng)能轉(zhuǎn)換裝置既然能夠把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，自然也就一定能夠把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成流體動(dòng)能。這樣的垂直軸推進(jìn)器因?yàn)樾矢咭蚨嗤叽缤七M(jìn)器的推力更大，因?yàn)檗D(zhuǎn)速低因此將是低噪聲的，此外它還有一個(gè)螺旋槳式推進(jìn)器沒(méi)有的優(yōu)點(diǎn)，這就是它能夠做到使船作零轉(zhuǎn)彎半徑掉頭轉(zhuǎn)彎，這些特點(diǎn)顯然對(duì)國(guó)防海軍很有利。 ??? 當(dāng)前，媒體傳達(dá)的信息表明，在風(fēng)力機(jī)研究領(lǐng)域，世界各國(guó)都在致力于垂直軸式風(fēng)力機(jī)的研究，因?yàn)檫@中間有著潛在著不能估量的前景。我國(guó)的科技界已經(jīng)以自己的努力證明了，外國(guó)能夠做到的，我們中國(guó)也能夠做到；外國(guó)不能夠做到的，我們中國(guó)也能夠做到。這樣的觀點(diǎn)在我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)也許也能夠?qū)崿F(xiàn)。我認(rèn)為，我國(guó)的風(fēng)電事業(yè)永遠(yuǎn)跟在國(guó)外的水平軸螺旋槳式風(fēng)力機(jī)研究的后邊跑是不會(huì)有太大的出息的，我國(guó)應(yīng)當(dāng)盡早地進(jìn)入垂直軸式風(fēng)力機(jī)研究這個(gè)領(lǐng)域。將來(lái)的事實(shí)也許會(huì)證明，在這個(gè)領(lǐng)域，誰(shuí)先涉足誰(shuí)就有可能先得益，遺憾的是，雖然我國(guó)黨中央和政府一直在提倡創(chuàng)新，但事實(shí)上卻缺少一個(gè)創(chuàng)新發(fā)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(gè)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(shí)在是令人感到無(wú)奈。我希望我國(guó)能有人支持我的這項(xiàng)研究，讓我國(guó)在風(fēng)電事業(yè)領(lǐng)先于世界在垂直軸式風(fēng)力機(jī)研究方面進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的研發(fā)。
杭州　中繕（E-Mail: chenzh@mail.hz.zj.cn）
風(fēng)能　風(fēng)能發(fā)電　風(fēng)能與動(dòng)力工程

上一篇：風(fēng)力發(fā)電的原理篇
上一篇：中國(guó)風(fēng)機(jī)葉片關(guān)鍵材料研發(fā)獲成功
您看了本文章后的感受是：