郭德天

大連理工大學

引言

我們知道，最古老的風能轉換裝置是風車。隨著時代的發(fā)展以及人們對風能的不斷開發(fā)和研究，許多現代化并且實用性強的風能轉換裝置應運而生。早在上世紀三十年代，美、蘇兩國就嘗試著去完成大型風力機的制作。當時間推移到70年代，大型風力機組已經在工業(yè)發(fā)達的歐美國家中較為普及，其最大發(fā)電量可達到7.3兆瓦。當今世上一些國家對大型風力機組的開發(fā)途徑不外乎兩個：一是立足于立軸式和水平軸鋒利組的基礎上，進行改進和完善工作，使裝機容量得到根本擴大和保障；第二種是不拘泥于傳統(tǒng)，重新構思并開發(fā)。本文著眼于一些前景美好，與時俱進并實用性高的風能轉換裝置，對其應用進行探討。

1.斜軸式風力機

這種風力機的特點在于，其轉軸與地面呈傾斜裝，并且軸和葉片之間的夾角在90度以內，是一種新型的且比較常用的風力機，其突出優(yōu)點就是使用便捷、操作簡單。它綜合了立軸風力機和水平軸風力機兩者的優(yōu)勢，不用依賴于塔架，并且對基礎也不作出較高要求。除此之外，發(fā)電機和變速箱這些“重量級部件”都可以放在底部，從而讓整個結構看上去協(xié)調。葉片比較粗厚耐磨，性價比很高，如果把它安裝在海面船上，它就可以迎風而運作。就不再需要偏航裝置，也不需要專門為其鑄造一個平臺，降低成本，減少了不必要的資源浪費。與傳統(tǒng)風力機相比，其成本節(jié)約了五成左右[1]。

一位名為瓦格納爾的工程師曾經設計過一個斜軸式風力機。它的軸和水平面的夾角為55度，兩個葉片的長短各不相同，呈110度角，它們由繩索串聯著，被裝置在軸的兩邊。這種斜軸式風力機的樣機大約為250千瓦。并且，已經在北海的船上投入使用了很多年。并且這位工程師始終相信，一臺斜軸發(fā)電機，即使葉片的長度達到370米，風輪重大810頓，也能發(fā)出十萬千瓦功率的電能，只要風俗為每秒十五米即可。并且，我國合肥工大的某位研究者在上世紀八十年代中期也研究出來一個100千瓦的斜軸風力機，雖然只是模型。然而通過對模型的實驗，他發(fā)現，這種機型自身的特征呈現出多樣化，與傳統(tǒng)風力機相比，能節(jié)約近四成的成本，也認為這種機型在未來會得到良好的發(fā)展，實現普及率。

2.擴散式和聚風式風力機

為了提升水平軸風力機的出力程度，導流器或尾翼是必不可少的。這兩種都隸屬于導流增力型風力機地翻出之內[2]。導流器的形狀類似于罐裝，并且兩端的粗細不一。

擴散式風力機的擴散器被安裝在風輪的后面，并且擴散器通常都是前粗后細的。這樣就能讓風輪的后部產生負壓，從而提升并保障了螺旋槳的運轉速度，機組輸出功率也跟著提升。紐約州的，一家名為格魯曼的著名航空公司進行過一個風動測驗，其結果證明，和傳統(tǒng)的不帶擴散器風機相比，帶有擴散器的風機能多發(fā)出三倍甚至更多的電。

與剛才說到的擴散式風力機相反，聚風式的風力機的聚風器雖也是前粗后細，其安裝位置確實風輪的前部，旨在讓它的前端和后端分別形成高壓區(qū)和負壓區(qū)，從而達到提升葉片旋轉速度的目的，從而同樣增加機組的處理程度。加了聚風器的風輪比傳統(tǒng)風輪快三倍左右。如今，研究并實驗這種風機的國家比較多。早在八十年代初期，蘇聯某勘測設計科研組就研究出了一種全新的方式，可以實現對配有聚風裝置的風力發(fā)電機組精確化的功率計算，并且還能不斷優(yōu)化其結構。即建立一個龐大的風力發(fā)電站，塔架的高達500米，寬度約180米，上面安裝的是多個聚風式風輪，其直徑長達35米，讓人驚嘆，能發(fā)出十多兆瓦的電能，然而，成本很高，損耗較大，有些“得不償失”，故而不宜真正投入使用[3]。

3.龍卷風式（旋風式）風力機

龍卷風式風力機，從其名稱來看，顯然是從龍卷風的形成原因而得到的靈感。它的組成部分有文氏管、立軸式風力機以及旋風器。在旋風器的周邊分布著大量小窗口，每個窗口都有一扇可側面打開的校門。在實際運作的時，這些小門就都會呈開啟狀態(tài)，而被封的一面上的小門都是緊閉的[4]。故而，從一側進來的氣流根本不能實現對流，就沿著旋風器壁一直旋轉。這樣一來，大氣壓就高于其漩渦中心的氣壓，從而導致外界的氣流猛烈吸入文氏管內沖過風輪，最后進入到旋風器里面。兩股氣流爭相擠壓并上升，最終形成“龍卷風”。因此風輪的旋轉速度就被進一步加快，最終同樣達到增加機組出力的目的。前蘇聯的相關專家們進行過詳細而周密的計算，他們發(fā)現，如果旋風的直徑長達200米，它的功率可達到3萬兆瓦，換算之后，發(fā)現這樣的功率與10做巨型電站的功率不相上下。并且，動力學家制造出了一個龍卷風模擬機，其效果驚人——功率竟是傳統(tǒng)風力機的十倍。

4.太陽能——風力發(fā)電塔

這個設想的先驅者是西德斯圖加特大學，其根據是溫室-風輪-煙囪的原理，是一種新型而別致的發(fā)電系統(tǒng)。早在上世紀八十年代初期，西班牙公用電力公司和西德技術研究部就研發(fā)出了一個100千瓦的實驗裝置，此裝置坐落在西班牙的拉曼查地區(qū)。風塔的高度達到200米，直徑十米左右，塔下四周的太陽能溫室直徑為250米，這個溫室由鋼架支撐，并覆蓋著透明塑料。風口部和塔頂都安裝著電機組。由于有太陽能的加熱，溫室里的氣溫和外面相比，存在20攝氏度的溫差。當空氣猛然塔筒上升的時候，風能就能被驅動，從而產生電能。專家同樣進行了一系列的緊密計算，得出的結果是，當風塔的高度達到900米時，其需要投入的成本很低，僅為每千克2000馬克而已。

5.結束語

隨著經濟的發(fā)展以及人口的不斷增多，廣大國民對各種能源的需求越來越高。又因為電能是一種“無選擇性需求”，也是國民最為依賴，不可缺少的，對其日常生活起到根本支撐作用的能源，故而更加稀缺。能夠發(fā)電的能源不止風能一種，然而由于風能是一種無成本，并且取之不盡用之不竭的能源，加之風對環(huán)境不會造成任何損害和破壞。在這種巨大優(yōu)勢下，如果能將風轉化為電，電能緊張的問題就能迎刃而解。然而在坐擁諸多優(yōu)勢的同時，風能還有著穩(wěn)定性差、不可儲存等同樣明顯的劣勢。故而，欲實現風能的利用，就必須開發(fā)出極具實用性的轉化裝置。本文對幾個前景廣闊，能滿足實際需求的轉化裝置進行了分析和探討，例如斜軸式風力機、擴散式風力機、聚風式風力機、龍卷風式（旋風式）風力機以及太陽能（風力發(fā)電塔）等等，具有一定的參考價值。

[1]吳春艷.風力發(fā)電機在地震-風力作用下的載荷計算[J].中國機械工程，2011(18)：76-78

[2]陳余岳,蔣學忠，歐陽滔.大型風力玻璃鋼葉片疲勞問題探討[A].第十四屆玻璃鋼/復合材料學術年會論文集[C]，2010

[3]白云飛,王珊珊，周宏偉.風力發(fā)電機組的結構技術研究綜述及葉片等效模型的建立[D].哈爾濱工業(yè)大學，2010

[4]陳新廠,王明，周宏.大功率風力發(fā)電機組輪轂的結構強度分析及優(yōu)化設計[D].重慶大學，

2009