[00016939]万向风车

技术投资分析： 介绍万向风车 风能是自然界中清洁的可再生能源，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍。我国的风能资源非常丰富，新疆、内蒙、甘肃一带风能最大，强度约200~300瓦/米2，平均4000~5000小时/年（参见《中国大百科全书》—风力机）。我国西部和东南沿海地区地域辽阔，如能大力发展风力发电，不仅可为经济建设提供动力，而且还能保护环境，治理风沙，减少二氧化碳气体排放，可谓一举多得！    风能,其实准确地说也是太阳能，是由太阳的热量，地球的旋转，地球表面的不规则而引起的空气流动。风能具有许多优势条件，所以它是世界上成长非常迅速的能源。    风能是清洁能源，风能不像依靠燃烧化石燃料（例如，煤炭或者天然气）的火电厂那样污染空气，风能不产生引起酸雨的物质，也不产生温室气体。    利用风能的最大挑战就是风力是断断续续的，不稳定的，不均匀的。风能不能储存（除非用蓄电池），也不能根据电力的需求进行调整。       几个世纪以来，风力发电一直受到人们的关注。1890年，丹麦的一项风力发电机计划，首次将风力机（也称风车、风透平机、风轮）用于发电设想，到1918年丹麦已有120台风力发电机。第一次世界大战后，应用风力来发电曾出现高潮，丹麦、荷兰应用最早也最广。后来由于中东油田的发现，使风力发电事业的发展缓慢下来，直到20世纪70年代，由于能源短缺和环境污染，风力发电才又出现高潮。 要利用风力发电，就必须先把风能转化为机械能，然后再用发电机把机械能转换为电能。把风能转化为机械能，就要利用风车，风车是风力发电过程中的关键设备。鉴于风车的种类繁多，因此分类方法也是多种。按叶片数量分为：单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分为：水平轴、垂直轴(立轴)；按桨叶工作原理分为：升力型、阻力型。目前大量使用的风力发电设备以三叶片水平轴升力型（一般称螺旋桨风车）居多。 一、螺旋桨风车的缺欠 第一个风车出现在欧洲是水平轴结构。对于这种由波斯垂直轴设计而突然走进水平轴结构的进展原因已经不知道了。原因之一可能是水平轴结构的叶片扫风面积（叶片接触风的面积）最大，事实上欧洲水轮也有水平轴结构。别的原因可能是水平结构的拖曳型比垂直结构的拖曳型效率高，由于屏蔽的需要，垂直轴结构的拖曳型丢失了它们的转轴收集面积的一半。 水平轴结构的风车叶片需要与其旋转平面存在一定角度，这样风车在风力的作用下才能旋转，这就使叶片与空气之间相对运动的轨迹成为螺旋线，所以，也称螺旋桨风车。 螺旋桨风车从一开始出现就处在不断的改进当中，欧洲风车的主要改进是它的设计者对于产生空气动力学升力的成功运用。这一特点提供了转子效率的重大改进，使效率比波斯风车更高，并让转子的转速增加。完善风车桨叶，使效率增加的改进过程，已有500年。在完成这一过程期间，风车桨叶有了全部经过现代设计师验证的显著的特色，这对于现代风力透平机叶片的完成也是至关紧要的，包括1）拱形螺旋桨的前缘；2）在1/4弦长位置（由前缘到后缘的25%）放置帆桅；3）重心在1/4弦长位置；4）叶片由根部到顶端的非线性扭曲（Drees,1977）。……等。 但是，螺旋桨风车虽经不断改进，却仍然存在许多问题和缺欠，使风电成本居高不下，设备效率、安全、维修、运输……都存在许多问题，使风电在与其他能源的竞争中处于不利地位，严重的影响着风电的发展。 二、垂直轴风车的不足   我们知道，最古老的波斯风车是垂直轴风车，因为效率较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。 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。关于达里厄（Darrieus）型风轮的设计，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。 与螺旋桨风车一样，达里厄风车从一开始出现就处在不断的改进当中。后来人们把弯叶片改成了直叶片，从而出现了H型达里厄（Darrieus）风车。 达里厄（Darrieus）风车最要命的缺点就是不能自启动。如果说螺旋桨升力型风车虽然启动也不容易，但只要风力足够大还是能够启动起来的；但达里厄风车如果没有一定转速，风再大也启动不起来。这是由于风车升力的产生和升力的方向，需要叶片有一定旋转速度再与风速合成可视风速后，才能产生旋转力矩使风车旋转。这个转速怎样产生呢？自然风力不能使风车产生这个转速，那只有加外力，例如：电力、燃油动力。不难想象，如果风车一停，就需要加外力（电力或燃油动力）使其从新旋转，这该多么麻烦……。 另外，达里厄（Darrieus）风车要想处于最佳工作状态，需要风速、转速、负载三者都处于最佳范围，这是很窄的范围。离开这个范围，风车工作就不稳定，要么停转，要么飞车……。毫无疑问，达里厄风车也不是理想的，能够使风能成为人类主要能源的风电设备。 三、万向风车简介 万向风车是将风能转换成机械能的能量转换设备，由支架、转轴、叶片等三部分组成。 万向风车是根据流体力学原理和空气动力学原理发明的新式风车，力求克服螺旋桨风车和达里厄（Darrieus）风车的缺欠，开发出新型的，更高效，更安全，更经济的风力发电设备，为保护环境，节能减排做出贡献！ 万向风车的特点： 1、效率高 风车效率的差异是很大的，不仅不同种类的风车间存在着效率上的差异，（例如：升力型风车的效率高于阻力型风车；水平轴风车高于垂直轴风车……等，）而同一种类型的风车也存在着很大差异，例如，螺旋桨风车如果造得不好，叶片的非线性扭转不正确，叶片选型不恰当，叶片制造精度达不到要求，叶片就不能产生升力，或者产生的升力很小，这就会使螺旋桨风车变成阻力型风车，效率也会很低。   现代水平轴螺旋桨风力机的有效输出功率：w  ＝0.155  ρ D2 v3      ρ－空气密度，D－风轮直径，v－风速    也可以写为w＝0.5cρA v 3      c－机械效率因素（通常0.1－0.5），ρ－空气密度，A－叶片扫过的区域，v－风速    由上式可以看出，风车的输出功率与风速的三次方成正比，与叶片的扫风面积成正比，与空气密度成正比。 万向风车的输出功率，与上式基本相同。但需要注意的是，在同等材料数量情况下，万向风车的扫风面积小于螺旋桨风车的一半（由于背风面的叶片不与风接触）。这就使万向风车的功率输出小于螺旋桨风车的一半，与达里厄（Darrieus）风车相同。 需要指出的是，虽然从理论上说，万向风车效率不如水平轴，但水平轴螺旋桨风车要达到最佳输出状态，需要风速、转速、负载三者都处于最佳范围，这是很窄的范围。离开这个范围，风车工作就不稳定，要么停转，要么飞车……。再加上螺旋桨风车叶片需要非线性扭转（即使用调浆的办法，收效也不大），并且升力的大小和方向都受转速影响，如果全面考虑到这些情况，万向风车的输出功率不会小于水平轴螺旋桨风车，特别是H型达里厄（Darrieus）风车。 2、启动力矩大    要分析风车的启动力矩，就要对风车在静态时的受力状况作受力分析。万向风车的交叉叶片既有阻力作用又有升力作用，所以其启动力矩与阻力型风车不相上下，而比以斜面迎风的螺旋桨式风车要大。因此，万向风车在微风下即可转动。这一特点使万向风车的风能利用范围更宽，如果匹配合适，万向风车能做到只要有风就能发电。 3、设计容易 专利法实施细则第二条指出，专利法所称发明，是指对产品、方法或者其改进所提出的新的技术方案。因为是技术方案，所以在具体实施时，就必须进行设计。螺旋桨式风车设计复杂，需要选择的参数虽然不多，但选择的范围小。例如：叶片横截面的形状、叶片非线性扭曲、叶片材料、尾舵大小……等等，都需要进行精心的计算和选择，有的还需要试验测定。这主要是因为螺旋桨式风车各个参数之间的联系过于密切，一个参数的改变会引起其它参数的改变，这就可能使性能的提高和降低相互抵消，难于得到最佳设计。而万向风车需要选择和设计的参数虽然不少，但选择的范围比较宽，特别是各参数之间相互关联比较小，这就容易得出最佳设计。例如：如果利用调浆技术来改善风车效率，螺旋桨风车的叶片只有一个调浆自由度，而万向风车可以有力臂、叶片仰角、叶片倾斜角，三个自由度。 4、建造简单     万向风车无论是叶片、支架、转轴，还是基础平台，都不需要特殊的制造工艺和材料。螺旋桨式风力机叶片由于受力状况不好，为了减轻重量并达到一定强度，都是用碳纤维增强树脂制造出来的,制造过程复杂，程序繁多，要达到高质量的性能要求，必须有严格的条件控制。而且，保存、运输过程也有极严格的规定和要求，稍有碰撞和损伤，将严重影响性能；万向风车叶片用0．3~1mm的镀锌铁板、铝板、不锈钢板、彩钢、……等材料制造都可以，用金属板制造，其工艺简单，制造容易，运输方便……。万向风车可以很容易地向海上发展，利用海洋风能。 5、结构紧凑 由于结构紧凑，给发展小型风力发电机解决偏远地区农牧民用电问题创造了条件 ，使万向风车可以放在狭小的只要有风的地方就可以,并且转轴方向也可以任意放置，无所谓水平轴、垂直轴。多个万向风车还可以串联或者并联使用，从而提高输出功率，并使风车可以向高空发展。F型万向风车还可以制造成风力飞行器，用动力使其升入高空，利用高空风能发电，再用电缆将发出的电输回地面。     四、万向风车的叶片    风力机依靠叶轮汲取风能，叶轮直接决定风力机的重要性能指标——风能利用系数。叶轮性能的好坏则取决于叶轮上叶片的数量，外形设计以及叶轮结构。现代风轮叶片的平面形状通常是接近矩形的直叶片，尖削度不大而展弦比比较大。这样叶片的展向流动是次要的，叶片的气动特性很大程度上取决于叶片的翼剖面形状及其所处的相对位置，也即翼剖面的气动特性是研究叶片性能的关键。研究绕翼剖面流动比较简单，易于观察、实验、理论推导与分析，同时翼剖面气动特性也是探讨复杂情况的基础。空气动力学提供了对翼型剖面作深入细致研究的理论基础，提供了丰富的翼型剖面气动性能试验数据和理论计算方法，为风力机的气动研究和气动设计提供了依据。（参见linan《新型风力机的设计与开发技术》）       万向风车采用如下图所示的翼型，与NACA的带弯度的机翼型基本相同。 （见附图1）    分析一下作用在翼型上的气动力及其参数，我们知道，在仅有重力作用的二维低速流场中，气体的压力与速度存在下列关系—伯努利公式    Po  =  P+  ½ρV2      式中：P0为总压，P为静压，½ρV2  为动压。ρ为空气密度，V为风速。伯努利公式指出：气体的总能量P0保持定值，等于动压能 ½ρV2  与静压能P之和。    在二维低速流场中，根据流体连续性原理，流场中质量保持连续不断，上翼面突出使流场横截面变小，空气流速加大，即V>V∞ ， 这样P < P∞， 上翼面静压值小于下翼面静压值，上下翼面压差的合力形成了升力。（参见lina 《新型风力机的设计与开发技术》,）     需要指出的是，叶片产生的升力，不是用来使叶片上升的，而是用来推动叶片旋转的，所以，万向风车采用了两个叶片交叉，这样两叶片产生的升力的合力就推动叶片绕转轴旋转。如图所示。      两叶片间的夹角α与叶片的攻角、风轮的截风面积有关，当夹角增大时，风轮截风面积增大，但叶片攻角变小，甚至成为负值，使升力变小；极限情况，两叶片间的夹角α等于180度，风轮变成了直线叶片的阻力型风车。α约等于45~60度较好。    为减少交叉叶片逆风时的阻力，两叶片相交时成圆锥状较好，如照片所示。叶片可用镀锌铁板（0.3_0.5毫米）、铝板、不锈钢板、树脂板等做包皮，起整流罩作用，内部加加强筋制造。 五、万向风车利用升力引入正反馈提高效率 万向风车由叶片、支架、转轴等三部分组成。单片叶片为长条形，其横截面为流线型（有弯度的机翼型）。两个单片叶片凹面相向的交叉在一起，形成两两交叉的组合叶片。 由于万向风车的单个叶片是有弯度的机翼，风车在启动力矩的作用下旋转起来以后，风车叶片与周围空气的相对流速变大，根据空气动力学原理，在每个单个叶片上都会产生升力，且随着风车旋转速度的增加，叶片与周围空气的相对流速也增加，升力也增加。而两个交叉叶片产生升力的合力通过支架的杠杆作用就产生了使转轴旋转的转矩。如果分析一下这个升力转矩的方向，不难发现，是与风力产生的启动转矩方向一致的，这就是说，升力产生的附加转矩又反馈回到了风车的输入端，与输入端的风力转矩相加，增强了对转轴的旋转作用。这就像再生式无线电收音机的再生线圈把经放大的无线电信号引回到输入端再放大，从而提高了收音机的效率一样，升力使万向风车引入正反馈提高了效率。 万向风车正反馈信号流程方框图如下： （见附图2） 图中β为正反馈系数，与叶片形状、交叉角度、力臂大小、叶片攻角、扫风面积、叶片翼型……等有关。 在万向风车正反馈信号流程方框图中，我们设：P1为万向风车的输入；P2为输出；K为不加升力反馈时的放大倍数；β为正反馈系数，那么，可以得出如下的等式： P2－βP2=（P1+ P2 β）K …………（1） （1－β） P2=K P1+ K P2 β …………（2） P2/ P1=K/1－（1＋K）β…………（3） 其中P2/ P1即为风车的效率。 由式3可以看到，风车效率与K、β均有关。K为不加升力反馈时的放大倍数；β为正反馈系数。K无论对于螺旋桨风车或万向风车来说，最大都不会超过50%（水平轴风车在叶片倾斜45度时受力最大，此时叶片所受到的旋转力为风力的50%），K无论对于螺旋桨风车或万向风车来说，都将随风车转速的增加而减少，直至转速等于风速时接近于0。 毫无疑问，我们可以用数学方法描绘出风车效率与K、β之间的关系。 为了简单直观的看一下风车效率与K、β之间的关系，我们假设K为0,1、0.3、0.5时，如果让风车效率为100%，那么，反馈系数β应为多少。计算结果如下： K 0.1（风车转速高） 0.3 （风车转速中） 0.5（风车转速低） β 0.82 0.55 0.33 以上结果说明，β很小的变化，就能使效率大幅提升。       六、万向风车的发展  万向风车的结构合理，并应用升力引入正反馈 提高效率 。对万向风车的研究才刚刚开始，随着研究和开发的深入，一定会出现广阔的发展前景，一定会取得可观的经济效益和社会效益，造福地球，造福全人类！ 现向您介绍一项新的研究成果，——风力飞行器型万向风车，简称F型万向风车。 将万向风车拆成上下两部分，每一部分都可以单独使用。风车既可以安装成垂直轴，也可以安装成水平轴。做垂直轴使用时，与2型万向风车的性能、特点基本相同，启动方便，不需要偏航调节……，但材料省了一半，是1型万向风车效率的2~3倍。 做水平轴使用时，与螺旋桨风车的性能、特点差不多。启动需要一定转速，需要偏航调节……，但扫风面积是垂直轴的两倍多（相同材料用量情况下），效率是垂直轴的2~3倍。 F型万向风车还可以做成风力飞行器，加装动力使其升入高空，利用高空风能发电。到那时，人类利用清洁的可再生的风能作为主要能源的时代，就不远了！！！   参考资料 illustrated History of wind power development by Darrell M.Dodge,Lttleton Colorado （达雷尔） 《中国大百科全书》—风力机 《中国小型风力发电机的应用发展》舒杰 俞红鹰 /文 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 国内外风力发电技术的现状与发展趋势 田德 lina:《新型风力机的设计与开发技术》《小型风力发电系统的匹配》 2011-8-2第四次修改