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bdlhz618的博客

创新无止境,学习永不停。新思如潮涌,一切皆可能!

 
 
 

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个人简历 具有深厚的专业理论知识和丰富的实践经验,勤于思考,富于创新,在长期的工作实践中,始终注重研究和探索,通过多年的艰辛努力和实验,在技术革新与发明创造方面有所突破,研制成功《风力飞行器》(201110319692.2)。《调桨长的万向风车》(201210393482.2)。

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万向风车(二)  

2009-07-12 18:07:44|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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二、风 车 的 发 展 和 创 新

风力机主要由风能接收装置、控制机构、传动、支承等组成,可分为水平轴结构和垂直轴结构两类。以风轮为接受装置的常规风力机,按转轴和气流的方向分水平轴式(转轴平行于气流)、侧风水平轴式(转轴平行地面,垂直气流)和垂直轴风轮(转轴同时垂直于地面和气流方向)。

风车的发展和创新从风车一出现就开始了,人们围绕着怎样提高效率,怎样保证安全运行,怎样满足各种需要,进行着试验和研究。特别是在提高风车效率方面,人们作了大量的工作。

1、政府主持研究和发展

在美国,联邦政府热心风能研究和发展,开始于1973年所谓的“阿拉伯石油危机”之后两年。

联邦的研究和发展活跃在风力机的设计实验上,制造和测试了13个不同的小型风透平机的设计(范围由1千瓦到40千瓦),五个大的(100千瓦-3.2兆瓦)水平轴风透平(HAWT)设计,和垂直轴(VAWT)设计范围从5到500千瓦。这个项目借用了许多发展军用飞行器使用的方法,用第一能源研究和发展行政部门(ERDA)和美国能源部(DOE)选择的转包商,建造和测试根据转包商的推测可能商业化的机器。

这期间,许多资金专心于发展兆瓦级透平,相信如果风机不大,美国就将不认为风能是一个真正的能源。兆瓦范围是“有用范围”,这种系统才是有用的系统。在加利福尼亚风场(看下面图4)不能低档的与众不同事件显示的情景基本上是正确的。

2、前进的垂直轴风车

我们知道,最古老的波斯风车是垂直轴风车,因为效率低被水平轴风车挤出了风能发展的历史舞台。但,垂直轴风车对风向没有要求,不管风向如何风车都能旋转,这对于安装在低空和农牧场的小型风力发电系统是非常重要的,这是水平轴风车所不具备的长处。

在二十世纪80年代初,国家领导人视察我国的西北部地区后,向科技部提出了要解决偏远地区农牧民用电问题的批示。科技部组织专家对这些地区进行考察后,提出了发展小型风力发电机解决偏远地区农牧民供电问题的方案,并列入了国家“六五”科技攻关计划。当时,南京航空学院、哈尔滨工业大学、沈阳工业大学、清华大学、长沙铁道学院等一批院校和航空部602所、机械部呼和浩特牧机所、中科院电工所、北京农机化研究院、浙江机电研究院、中国气象科学院等一批院所以及中国船舶工业总公司884厂、441厂、内蒙古动力机厂、包头电机厂、商都牧机厂、北京联合收割机厂、北京电机总厂、浙江电力修造厂等企业都参与了小型风力发电机的设计、研制工作。 

根据这一计划,八十年代中后期,我国的小型风力发电机已形成了规模化生产的能力,在内蒙古等偏远地区推广小型风力发电机近二十万台,到1990年在丹东召开全国风力机械行业协会成立大会时,会员单位有五十多家。但由于没有适时建立产品质量检测体系和市场监督机制,致使大批低质量低价的小型风力发电机涌入市场,导致产品的成本与市场价格错位,优质产品的企业失去了市场,也丧失了产品更新换代和进一步研发的能力。加上产品的售后服务体系没建立,小型风力发电机产品大面积出现质量问题,用户对小风机产品失去了信心,市场急剧萎缩,从而使整个小型风力发电机制造行业全面萎缩。按全国风力机械行业协会2000年对全国小型风力发电机产品销售量的统计,全国共销售小型风力发电机产品12670台套,其中300w以下的产品12000台套,并且是低质低价的产品为主,工业产值不足2000万元,不及一个中小企业的年产值。 

  目前我国小型风力发电之所以出现这种局面,我们认为主要原因是对小型风力发电机的技术难度认识不足。用小型风力发电机解决边远山区农牧民用电问题,无疑是个好方法,但螺旋桨式风力发电机用在山区和村镇的低空,其风向风力都在不断变化,其效率肯定很低,这不是通过大兵团作战就能解决的,必须通过创新,找到能在低空下,不受风向限制,适用范围宽,效率高的新型风力机才行。换句话说,解决边远山区农牧民用电问题,一要解决风向风力都在不断变化的问题,二要解决效率问题。

  1992年美国宇航局曾发表过一篇文章,说明美国宇航局和波音公司由于对小型风力发电机的技术难度估计不足,而导致为军方研制的便携式小型风力发电机失败,文章中主要提到小型风力发电机研制上的困难在于:

  1、小型风力发电机所面对的自然环境极为恶劣,由于风受地面粗糙度和障碍物的影响很大,离地面高度越高,风速越稳定。而小风机受安装高度限制,而且不能远离用电者居住的地方,所以小风机是工作在风的紊流区域,风速风向的无规则频繁变化对风机的破坏性很大。

  2、小型风力发电机所能提供的能源有限,考虑到单位功率成本的因素,好的材料和先进的控制技术无法采用,可选择的材料和技术手段有限。长期以来,我国的小风机研制缺乏对小风机使用环境的研究,比较注重风机的性能测试数据,缺乏对风机在不同环境下进行运行考核的要求。

由此不难看出,水平轴风车在应用和发展方面所遇到的,因风向风力不断变化而影响效率的问题,正是垂直轴风车所具有的长处。另外,垂直轴风车还具有制造简单,维护方便等优点,因此,垂直轴风车从来也没有停止过在小型风力发电机应用和发展方面前进的步伐。

现代垂直轴风轮的发展是在法国由G.J.M. Darrieus於1920年开始的。关于个别的达利氏( Darrieus)风轮的设计,最重要的是包含微薄的,弯曲的,螺旋桨断面的叶片安装在旋转的垂直管子的顶部和底部(一般称“O”型垂直轴风车)。基于这一概念的大量的发展工作在当时并没有开始,直到1960年由两个加拿大研究员因不知他人已发明的情况下才又从新使用。

美国在达利氏概念上的努力,是在1973年原油禁运以后,在Sandia国家实验室开始的,同美国联邦风能计划一起进入到风能发展时期。

最大的美国达利氏风机是34米,变速(左图),按Sandia实验室发展,工作在Amarillo的USDA农业试验站,德克萨斯州提供实验资料。达利氏风机的最大缺点是在弱风下不能自启动,按通常标准由联邦管理者去评价项目成就,达利氏风机项目是不成功的。

一些直线叶片垂直轴风力透平机the cycloturbine, giromill,也称“H”型垂直轴风车结构是1973年在美国和英国,1990年在德国,被发展起来的。直线叶片设计没有证明商业上的成功,原因是,风轮在伸展的悬臂上装载着支撑和结构,引起了大量的空气动力学阻力。

人们发现风车叶片的形状不同,在风的作用下产生的风压不同,即:风压P=0.5(1+C)ρυ2 C为结构系数,如为平面则为1,人们就利用这一原理发明了一些新的风车。这种异形叶片风车一般都采用立轴式,这样就使风车能接收各个方向吹来的风使其旋转,不必需要迎风或背风而调整风车的方向。这种异型叶片的风车应用最广的就是带有三个或四个半球形叶片的风速测量仪,因为其叶片为半球形,风作用在凹面和作用在凸面所产生的风压不同,风车就会旋转。但,风对风车叶片的作用是个很复杂的过程,这就使异型叶片风车虽然有了不受风向限制的优点,但却效率不高,没能应用在风力发电机上。

1924年,芬兰萨伏纽斯(savanius)提出了由两个半弧形风叶组成的S式垂直轴低速风力机,之后法国lafonel提出了多片风叶,等距轴向分布于两个大小不等圆环之间而成的涡轮式风力机。塞内加尔居恩万(ngugenvinu)教授与乌迈尔(houmair)合作研制成了由半圆弧柱和平板组成的三叶风轮塞内加尔式风力机。(李庆宜主编,北京机械工业出版社《风力机的理论与设计》1986.12)

垂直轴风车虽然以它的许多优点吸引着人们为之努力,虽然解决了不受风向限制的问题,但终因效率不高,没能战胜水平轴螺旋桨风车,由此可以看出,在风力发电方面,风车效率是风车是否实用的第二个最重要的问题

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