现代实用型风能转换装置的开发与应用探析

郭德天

大连理工大学

引言

我们知道，最古老的风能转换装置是风车。随着时代的发展以及人们对风能的不断开发和研究，许多现代化并且实用性强的风能转换装置应运而生。早在上世纪三十年代，美、苏两国就尝试着去完成大型风力机的制作。当时间推移到70年代，大型风力机组已经在工业发达的欧美国家中较为普及，其最大发电量可达到7.3兆瓦。当今世上一些国家对大型风力机组的开发途径不外乎两个：一是立足于立轴式和水平轴锋利组的基础上，进行改进和完善工作，使装机容量得到根本扩大和保障；第二种是不拘泥于传统，重新构思并开发。本文着眼于一些前景美好，与时俱进并实用性高的风能转换装置，对其应用进行探讨。

1.斜轴式风力机

这种风力机的特点在于，其转轴与地面呈倾斜装，并且轴和叶片之间的夹角在90度以内，是一种新型的且比较常用的风力机，其突出优点就是使用便捷、操作简单。它综合了立轴风力机和水平轴风力机两者的优势，不用依赖于塔架，并且对基础也不作出较高要求。除此之外，发电机和变速箱这些“重量级部件”都可以放在底部，从而让整个结构看上去协调。叶片比较粗厚耐磨，性价比很高，如果把它安装在海面船上，它就可以迎风而运作。就不再需要偏航装置，也不需要专门为其铸造一个平台，降低成本，减少了不必要的资源浪费。与传统风力机相比，其成本节约了五成左右[1]。

一位名为瓦格纳尔的工程师曾经设计过一个斜轴式风力机。它的轴和水平面的夹角为55度，两个叶片的长短各不相同，呈110度角，它们由绳索串联着，被装置在轴的两边。这种斜轴式风力机的样机大约为250千瓦。并且，已经在北海的船上投入使用了很多年。并且这位工程师始终相信，一台斜轴发电机，即使叶片的长度达到370米，风轮重大810顿，也能发出十万千瓦功率的电能，只要风俗为每秒十五米即可。并且，我国合肥工大的某位研究者在上世纪八十年代中期也研究出来一个100千瓦的斜轴风力机，虽然只是模型。然而通过对模型的实验，他发现，这种机型自身的特征呈现出多样化，与传统风力机相比，能节约近四成的成本，也认为这种机型在未来会得到良好的发展，实现普及率。

2.扩散式和聚风式风力机

为了提升水平轴风力机的出力程度，导流器或尾翼是必不可少的。这两种都隶属于导流增力型风力机地翻出之内[2]。导流器的形状类似于罐装，并且两端的粗细不一。

扩散式风力机的扩散器被安装在风轮的后面，并且扩散器通常都是前粗后细的。这样就能让风轮的后部产生负压，从而提升并保障了螺旋桨的运转速度，机组输出功率也跟着提升。纽约州的，一家名为格鲁曼的著名航空公司进行过一个风动测验，其结果证明，和传统的不带扩散器风机相比，带有扩散器的风机能多发出三倍甚至更多的电。

与刚才说到的扩散式风力机相反，聚风式的风力机的聚风器虽也是前粗后细，其安装位置确实风轮的前部，旨在让它的前端和后端分别形成高压区和负压区，从而达到提升叶片旋转速度的目的，从而同样增加机组的处理程度。加了聚风器的风轮比传统风轮快三倍左右。如今，研究并实验这种风机的国家比较多。早在八十年代初期，苏联某勘测设计科研组就研究出了一种全新的方式，可以实现对配有聚风装置的风力发电机组精确化的功率计算，并且还能不断优化其结构。即建立一个庞大的风力发电站，塔架的高达500米，宽度约180米，上面安装的是多个聚风式风轮，其直径长达35米，让人惊叹，能发出十多兆瓦的电能，然而，成本很高，损耗较大，有些“得不偿失”，故而不宜真正投入使用[3]。

3.龙卷风式（旋风式）风力机

龙卷风式风力机，从其名称来看，显然是从龙卷风的形成原因而得到的灵感。它的组成部分有文氏管、立轴式风力机以及旋风器。在旋风器的周边分布着大量小窗口，每个窗口都有一扇可侧面打开的校门。在实际运作的时，这些小门就都会呈开启状态，而被封的一面上的小门都是紧闭的[4]。故而，从一侧进来的气流根本不能实现对流，就沿着旋风器壁一直旋转。这样一来，大气压就高于其漩涡中心的气压，从而导致外界的气流猛烈吸入文氏管内冲过风轮，最后进入到旋风器里面。两股气流争相挤压并上升，最终形成“龙卷风”。因此风轮的旋转速度就被进一步加快，最终同样达到增加机组出力的目的。前苏联的相关专家们进行过详细而周密的计算，他们发现，如果旋风的直径长达200米，它的功率可达到3万兆瓦，换算之后，发现这样的功率与10做巨型电站的功率不相上下。并且，动力学家制造出了一个龙卷风模拟机，其效果惊人——功率竟是传统风力机的十倍。

4.太阳能——风力发电塔

这个设想的先驱者是西德斯图加特大学，其根据是温室-风轮-烟囱的原理，是一种新型而别致的发电系统。早在上世纪八十年代初期，西班牙公用电力公司和西德技术研究部就研发出了一个100千瓦的实验装置，此装置坐落在西班牙的拉曼查地区。风塔的高度达到200米，直径十米左右，塔下四周的太阳能温室直径为250米，这个温室由钢架支撑，并覆盖着透明塑料。风口部和塔顶都安装着电机组。由于有太阳能的加热，温室里的气温和外面相比，存在20摄氏度的温差。当空气猛然塔筒上升的时候，风能就能被驱动，从而产生电能。专家同样进行了一系列的紧密计算，得出的结果是，当风塔的高度达到900米时，其需要投入的成本很低，仅为每千克2000马克而已。

5.结束语

随着经济的发展以及人口的不断增多，广大国民对各种能源的需求越来越高。又因为电能是一种“无选择性需求”，也是国民最为依赖，不可缺少的，对其日常生活起到根本支撑作用的能源，故而更加稀缺。能够发电的能源不止风能一种，然而由于风能是一种无成本，并且取之不尽用之不竭的能源，加之风对环境不会造成任何损害和破坏。在这种巨大优势下，如果能将风转化为电，电能紧张的问题就能迎刃而解。然而在坐拥诸多优势的同时，风能还有着稳定性差、不可储存等同样明显的劣势。故而，欲实现风能的利用，就必须开发出极具实用性的转化装置。本文对几个前景广阔，能满足实际需求的转化装置进行了分析和探讨，例如斜轴式风力机、扩散式风力机、聚风式风力机、龙卷风式（旋风式）风力机以及太阳能（风力发电塔）等等，具有一定的参考价值。

[1]吴春艳.风力发电机在地震-风力作用下的载荷计算[J].中国机械工程，2011(18)：76-78

[2]陈余岳,蒋学忠，欧阳滔.大型风力玻璃钢叶片疲劳问题探讨[A].第十四届玻璃钢/复合材料学术年会论文集[C]，2010

[3]白云飞,王珊珊，周宏伟.风力发电机组的结构技术研究综述及叶片等效模型的建立[D].哈尔滨工业大学，2010

[4]陈新厂,王明，周宏.大功率风力发电机组轮毂的结构强度分析及优化设计[D].重庆大学，

2009