基于垂直变向的风力发电装置

王贤　金祺然

研究背景

南极地区的风力资源极为丰富，但是风能却因环境恶劣而无法被利用。原因有二：一是固体颗粒物对扇叶的破坏，二是温度太低，冰末慢慢堆积冻结，扇叶越来越笨重，大大降低扇叶的旋转效率。本项目旨在设计一种在风能丰富但环境恶劣的情况下，有效利用风能发电并减少风力发电机损伤的装置。

研究过程

如何在恶劣环境下减少风力发电装置损伤的方法讨论

如何减少风力发电装置的损伤，我们有1个初步的设计方向：是否能减少甚至避免风力發电装置的扇叶与沙、石粒、雪粒等颗粒的直接接触。因此，我们的第一个设想是利用空腔使大风中的颗粒物沉降以保护风扇。但经过讨论分析，我们发现需要定期清洁空腔，维护成本较高，且在计算风能利用率时发现效率较低，与我们的设计初衷相悖，于是我们继续探讨别的方法。

如何有效利用风能

对于如何有效利用风能，我们思考有没有一种方法能提高风速以达到增加发电效率的作用。这时，我们想到了飞机，飞机飞行就是由于机翼上下表面空气流速不同，那么我们是否能通过类似的结构，利用发电机内都与外部的气压差增加风速。于是我们设计了一个拱形外壳装置的发电机，并通过实验探究验证这种设计是否可行。我们设计了一个实验，通过轻小物体的摆动角度将风速量化测量，从而判断装置的可行性（实验过程略）。经过实验，我们发现有无拱形外壳，风洞中的风力几乎没有差别，拱形外壳对其下方的风道进风效果没有影响，于是我们放弃了这个设想。

气压差的另一种利用

虽然放弃了以上设想，但我们认识到运用气压差发电是一个很好的突破口。为满足“避免风力发电装置的扇叶受沙、石粒、雪粒等颗粒的直接干扰”这一需求，我们决定在拱形外壳装置中开1个竖直管道。根据气体流速越大压强越小的原理，拱形上部空气流速大，下部管道空气流速小，从而产生了上下空气的压强差，空气就会顺着竖直管道上升，此时若在竖直管道中安装风扇，那么气流会带动风扇转动，起到发电的效果。与此同时，空气中所携带的固体颗粒物因为自身重力，以及惯性作用而无法随上升气流进入竖直管道，就随着水平管道的气流一起排出发电装置。

为了验证这个想法是否可行，我们利用塑料瓶进行了实验（实验过程略）。结果证明，利用流体速度的木同所产生的压强差发电可行。这样，我们实现了在“减少甚至避免风力发电装置的扇叶受颗粒物直接干扰”的情况下对风能的利用。

如何提高装置的风能利用率

我们首先提出的方法是并排设置竖直风道，这显然是提高风能利用率的基本方法。之后，为了加大上下部空气的压强差，我们将底部的风洞合并在一起。在翻看之前的设想和实验记录后，我们又发现了最初设想的缺点，空腔对空气流速的削弱作用，正好加大了上下的气压差。于是，我们又对装置进行改进，并进行了3D建模（见图1），绘制了三视图（见图2、图3）。从图2可以看出，气流从下部的通道进入中间的空腔，由于空腔的管径比通道大，所以气流在进入空腔后会减弱，与上方较快的气流产生较大的压强差，带动风扇转动发电。从图3可以看出，2个并排的竖直发电机，增大了对风能的利用率。

模型制作

模型内部较为复杂，所以我们将之放大并取其中的一半（剖面）制作，分2部分进行3D打印（见图4）。

改进

完成以上设计后，我们拿着作品向教师寻求意见。教师就我们设计的初衷“提高风能利用率”提出了几点建议。他提出，我们目前利用的仅仅是装置上侧，那么是否可以改变装置形状，将装置改成梭形，则可在装置的沿轴l周设置管道，这样就能大大提高发电机的利用率（见图5和图6，图5为4根管道时的设计图，管道数目还可增加）。当然，通风管道的口径也可作出变化。

之后，教师又提出一个想法，他认为我们过于拘泥装置的对称性。于是我们查找了相关资料，最后设计出这种会随风向而改变朝向的装置（见图7、图8）.这样，发电装置就能一直保持迎风的方向，进一步提高了发电的效率。

我们又设计了一个实验（实验过程略），研究最新改进的装置的实际效率。经过计算，我们发现装置实际效率并不是很高，因而我们对装置做了2处改动：一是在装置空腔的后部添加1个导风板，在导风板上开1个开口，这样就能在提高风能利用率的同时使颗粒物正常排出;二是在装置的尾部加装尾翼，使其能始终朝向迎风的方向。通过模型实验，结果证明，实物模型的竖直风道对风能的利用较高，在只有1根管道的情况下利用率可达19%，若安装4根管道，考虑额外损耗后，总效率在30%～40%。

小结

设计方案获得了国家发明专利，装置结构简单实用，能够利用南极丰富的风力资源发电，可改变在南极使用柴油发电污染环境、成本极高的现状，具有较大的市场推广价值，预期可以产生较好的环保效果和经济效益。

该项目获得第33届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组能源科学类一等奖。

专家评语

本项目研究了一种新型的基于垂直变向的风力发电装置，通过调节风管气流的方向和大小，以达到在某些特定环境下发电的效果。建议进一步改进电机及叶片材料，优化风道.提高发电效率。