文档介绍：垂直轴流体动能转换装置
(研究简介)
"垂直轴流体动能转换装置"是一种叶片和回转轴都垂直设置的流体动能转换装置。它可以是风力机,也可以是水轮机。它的特征是它能实现目前国内外所有同类装置中最高的转换效率。
在风力机中,当前世界上最流行的是水平轴螺旋桨式风力机。人们如今对这种出自欧洲的最古老的风力机作了最先进的现代化武装,使得这种风力机的风能利用率越来越高,单机装机容量也越来越大。然而水平轴螺旋桨式风力机其实并不是一种最好的风力机,因为它有一些致命的缺陷是无法克服的,例如它只能一次截能(风只能通过风力机叶片的扫掠区一次),虽然也有前后各装一组叶片的设计,但由于距离太近,意义不大,因而得不到推广应用。而从理论上讲,%,并且事实上因为包括下述的原因在内的各种原因,它的风能利用率会远低于这个数。1、运行中的叶片只能够利用流体动能中由升力作用而产生的机械能,而不能利用阻力产生的机械能。只此一点就可以知道水平轴螺旋桨式风力机做不到最大限度地截留风能。2、在风场中,在通常的地表状况下,在近地有限高度内风速梯度的曲线弯曲是比较大的,《风力发电》上的一篇文章指出,在水平轴螺旋桨式风力机一般的安装高度范围内,高度每下降5米,风速要降低大约7%,按此计算,对于直径有40米装机容量在500千瓦左右的风力机来说,在风机叶片顶端垂直最高点与垂直最低点,其风速可以相差50%以上,这意味着什么?这意味着在叶片的整个扫描区域中,只有很小一个的区域内的叶片是处在最佳的风能利用状况下,这对螺旋桨式风力机来说是致命的,因为这无法避免,同时这也决定了螺旋桨式风力机的风能利用系数不可能做得很高。3、现今的螺旋桨式风力机的尖速比(T
op Speed Ratio)大约在4、5左右,这意味着风力机叶片尖端的线速度是风速的4、5倍,大型的螺旋桨式风力机的叶片回转直径有40米以上,而风能有利用价值的风速通常都在10米/秒以上,单张叶片重达数百公斤甚至一吨以上,物理直觉也能想象,叶片将会受到巨大的离心力的作用,更何况螺旋桨式风力机的叶片的受力模型是一种叫悬臂梁的结构,这是一种内力状况比较差的受力模型,因此对于叶片的材质有非常苛刻的要求。事实上一些先进国家进口的风力机叶片都是碳纤维增强树脂在非常严格的条件下制造出来的,自然价格就极昂贵了,非但如此,叶片还是一种易损品,这一切都要打到发出电的单价成本中去。这个特点一方面限制了螺旋桨式风力机的普及应用,另一方面也表明了再要扩大螺旋桨式风力机的单机装机容量是非常困难的。4、水平轴螺旋桨式风力机必须要有机头、塔架,在风机叶片扫描的区域中的机头、塔架不可避免地会影响风能的充分利用,事实上螺旋桨式风力机在中心附近的风能利用率本来就是较低的,这使得这种风力机本来就有限的截风面积带来了损失,而且这是无法避免的。
笔者曾对一种垂直轴式风力机进行了多年的研究(外形请见文末附图),这项研究最早开始于1984年,当时的设计还很简单,直至1995年才基本上形成了今天的构思。我的设计曾请教过国内多位风电事业的权威,至今未见指出本设计存在致命缺陷的意见过。本人也曾因这项设计两次参加了中国风力发电协会召集的全国性会议,一次是在1984年的酒泉,另一次是在2001年的青岛,在青岛会议