風力機原理及應用11章

1、第第11章章 其他風力機其他風力機 趙鑫、默辰雨、焦立亮、韓浩、梁啊強趙鑫、默辰雨、焦立亮、韓浩、梁啊強 11.111.1風道式風輪風道式風輪v將進入風力掃風面的風能加以將進入風力掃風面的風能加以“濃縮濃縮”，既提高該處，既提高該處的風能密度，并使風速較周圍環(huán)境風速更為均勻，的風能密度，并使風速較周圍環(huán)境風速更為均勻，則該風輪的輸出必然增加。則該風輪的輸出必然增加。v圖圖11-1所示為風道式風輪的結構示意圖，安裝風筒所示為風道式風輪的結構示意圖，安裝風筒后受其壁面的影響，風輪葉片翼型的流線變化。后受其壁面的影響，風輪葉片翼型的流線變化。v處于自由流場中的風輪葉處于自由流場中的風輪葉片，風輪之中

2、及其前后，氣片，風輪之中及其前后，氣流速度的徑向分量都很小，流速度的徑向分量都很小，因而氣流作用在風輪上的徑因而氣流作用在風輪上的徑向力可忽略；在風道中，氣向力可忽略；在風道中，氣流先漸縮后漸擴，流線在風流先漸縮后漸擴，流線在風輪掃風面處形成拐點，因而輪掃風面處形成拐點，因而氣流曲線運動形成的離心力氣流曲線運動形成的離心力對風筒壁面形成壓力，其反對風筒壁面形成壓力，其反作用是壁面對氣流產生徑向作用是壁面對氣流產生徑向作用力，如圖作用力，如圖11-211-2所示這就所示這就是進入風筒的氣流收到擠壓、是進入風筒的氣流收到擠壓、濃縮，因而單位掃風面上的濃縮，因而單位掃風面上的功率將得以提高。功率將得

3、以提高。v風道式風力機與自由流場中風力機的理想功率之風道式風力機與自由流場中風力機的理想功率之比為比為v氣流增加可提高風道式風力機的功率輸出。影響氣流增加可提高風道式風力機的功率輸出。影響功率輸出，即影響誘導風速功率輸出，即影響誘導風速rr提高的因素有風提高的因素有風洞翼型形狀、風輪直徑洞翼型形狀、風輪直徑D D。風輪前后速比。風輪前后速比（2/1)2/1)、空氣密度、空氣密度等。風筒翼型縮放程度等。風筒翼型縮放程度提高，達到同樣縮放程度而翼型長度減小，均可提高，達到同樣縮放程度而翼型長度減小，均可提高風筒壁面對氣流的作用力提高風筒壁面對氣流的作用力ArAr；D D減小、速比減小、速比（2/1

4、)2/1)減小以及空氣密度減小以及空氣密度增加也可提高誘增加也可提高誘導速度導速度rr，增加風道式風輪的功率輸出。，增加風道式風輪的功率輸出。v需要說明的是：關于風道式風力機輸出功率的分需要說明的是：關于風道式風力機輸出功率的分析，建立在不考慮空氣黏性的無摩擦流動的前提析，建立在不考慮空氣黏性的無摩擦流動的前提下。下。風道式風力發(fā)電機迎風及其調速方法風道式風力發(fā)電機迎風及其調速方法v為降低風道式風力發(fā)電機的成本為降低風道式風力發(fā)電機的成本,提出了一種風力發(fā)提出了一種風力發(fā)電機迎風及調速方法。在風道裝置始終正對風向的電機迎風及調速方法。在風道裝置始終正對風向的條件下條件下,由于偏心機構和凸輪機構

5、的共同作用由于偏心機構和凸輪機構的共同作用,在風在風速低時速低時,風輪正對著風向風輪正對著風向,在風速超限時在風速超限時,風輪相應側風輪相應側偏偏,以限制風輪轉速。該方法可有效地起到大風限速以限制風輪轉速。該方法可有效地起到大風限速的作用的作用,提高風力發(fā)電機工作的穩(wěn)定性。該調速機構提高風力發(fā)電機工作的穩(wěn)定性。該調速機構結構簡單、成本低結構簡單、成本低,安裝維護方便。安裝維護方便。v風道式風力發(fā)電機的迎風及限速方法有兩種風道式風力發(fā)電機的迎風及限速方法有兩種:一種是一種是通過減速電機帶動風道加速裝置水平旋轉來改變方通過減速電機帶動風道加速裝置水平旋轉來改變方向向,達到限速的目的；另一種是利用風

6、道加速裝置的達到限速的目的；另一種是利用風道加速裝置的結構特點保持正對風向結構特點保持正對風向,利用電磁限速方法進行限速。利用電磁限速方法進行限速。 內蒙古新型風道式風力發(fā)電機問世內蒙古新型風道式風力發(fā)電機問世11.3熱氣流風力機v熱氣流風力機主要由太陽能空氣集熱器、風力渦輪及煙囪等設備組成。v其工作原理為：利用其工作原理為：利用煙囪頂部密度較大的煙囪頂部密度較大的冷空氣與其底部熱空冷空氣與其底部熱空氣的密度差形成的抽氣的密度差形成的抽吸作用，以產生垂直吸作用，以產生垂直向上的氣流驅動風力向上的氣流驅動風力渦輪發(fā)電。渦輪發(fā)電。v太陽能集熱器則用于太陽能集熱器則用于加熱空氣，提供煙囪加熱空氣，提

7、供煙囪抽吸功能的動力，如抽吸功能的動力，如圖圖11-4所示。所示。圖 11-4 熱氣流風力機v高度為高度為Hc的煙囪，在煙囪出口環(huán)境空氣密度的煙囪，在煙囪出口環(huán)境空氣密度o及煙囪內熱空氣平均密度及煙囪內熱空氣平均密度-條件下產生的條件下產生的抽吸力總壓差抽吸力總壓差P為為v這一總壓差用于克服空氣重力、空氣與煙囪這一總壓差用于克服空氣重力、空氣與煙囪壁面摩擦力之外，剩余的壓力能則由風力渦壁面摩擦力之外，剩余的壓力能則由風力渦輪轉化為機械能。所以煙囪優(yōu)化設計中，在輪轉化為機械能。所以煙囪優(yōu)化設計中，在考慮成本、結構安全的同時，應盡可能提高考慮成本、結構安全的同時，應盡可能提高煙囪高度、提高熱空氣溫

8、度并減少對外界散煙囪高度、提高熱空氣溫度并減少對外界散熱、提高煙囪內壁面的光滑度等。熱、提高煙囪內壁面的光滑度等。太陽能煙囪發(fā)電技術太陽能煙囪發(fā)電技術v以燃煤為主的電力發(fā)展不僅面臨環(huán)境保護的巨大壓以燃煤為主的電力發(fā)展不僅面臨環(huán)境保護的巨大壓力，而且面臨煤炭、石油等能源儲備有限的狀況。力，而且面臨煤炭、石油等能源儲備有限的狀況。因此，中國必須逐步改變現(xiàn)有的過分依賴煤炭、石因此，中國必須逐步改變現(xiàn)有的過分依賴煤炭、石油的能源結構，大力開發(fā)利用新能源。在新能源應油的能源結構，大力開發(fā)利用新能源。在新能源應用中，太陽能煙囪發(fā)電是適宜中國的優(yōu)良發(fā)電技術。用中，太陽能煙囪發(fā)電是適宜中國的優(yōu)良發(fā)電技術。太陽

9、能煙囪發(fā)電技術具有設備簡單、運行費用低、太陽能煙囪發(fā)電技術具有設備簡單、運行費用低、適合建設在人口稀少的沙漠地區(qū)、不產生有害物、適合建設在人口稀少的沙漠地區(qū)、不產生有害物、具有良好的環(huán)境效應等優(yōu)點。在中國應用太陽能煙具有良好的環(huán)境效應等優(yōu)點。在中國應用太陽能煙囪發(fā)電技術尤其必要。囪發(fā)電技術尤其必要。發(fā)電原理發(fā)電原理v太陽能煙囪發(fā)電技術成功地將溫室技術、煙太陽能煙囪發(fā)電技術成功地將溫室技術、煙囪技術和風力渦輪機技術等囪技術和風力渦輪機技術等3種成熟技術結合種成熟技術結合為一體。為一體。v集熱棚用玻璃或塑料透明材料建成，并用金集熱棚用玻璃或塑料透明材料建成，并用金屬框架作為支撐，集熱棚四周與地面留

10、有一屬框架作為支撐，集熱棚四周與地面留有一定的間隙。大約定的間隙。大約90%的太陽可見光（短波輻的太陽可見光（短波輻射射能夠穿過透明的集熱棚，被棚內地面能夠穿過透明的集熱棚，被棚內地面吸收。吸收。v由于溫室效應，即熱棚能由于溫室效應，即熱棚能夠很好的阻隔地面發(fā)出的夠很好的阻隔地面發(fā)出的長波輻射。因此，太陽能長波輻射。因此，太陽能集熱棚是太陽能的有效搜集熱棚是太陽能的有效搜集和貯存系統(tǒng)。棚內被加集和貯存系統(tǒng)。棚內被加熱的地面與棚內空氣之間熱的地面與棚內空氣之間的熱交換，使集熱棚內的的熱交換，使集熱棚內的空氣溫度升高，受熱空氣空氣溫度升高，受熱空氣由于密度下降而上升，進由于密度下降而上升，進入集熱

11、棚中部的煙囪。棚入集熱棚中部的煙囪。棚外的冷空氣通過四周的間外的冷空氣通過四周的間隙進入即熱棚，形成了集隙進入即熱棚，形成了集熱棚內空氣的連續(xù)流動。熱棚內空氣的連續(xù)流動。熱空氣在煙囪中上升速度熱空氣在煙囪中上升速度提高，上升氣流推動渦輪提高，上升氣流推動渦輪發(fā)電機運轉發(fā)電。發(fā)電機運轉發(fā)電。v用熱氣流風力機發(fā)電時，其輸出的電功率與裝用熱氣流風力機發(fā)電時，其輸出的電功率與裝置在單位時間內采集的太陽能輻射能之比，反置在單位時間內采集的太陽能輻射能之比，反映了裝置能量轉換利用的效率。它不但取決于映了裝置能量轉換利用的效率。它不但取決于風力渦輪風力渦輪發(fā)電機組的機電效率，還與太陽輻發(fā)電機組的機電效率，還

12、與太陽輻射能強度、集熱器面積、集熱器面蓋材料的透射能強度、集熱器面積、集熱器面蓋材料的透光性、地面土壤或巖石的物理性能等有關，也光性、地面土壤或巖石的物理性能等有關，也與煙囪的抽吸效率有關。與煙囪的抽吸效率有關。SCP( Solar Chimney Power Plant System )CP( Solar Chimney Power Plant System )發(fā)電技術的優(yōu)點發(fā)電技術的優(yōu)點v1.既能吸收直射太陽光，又能吸收漫射太陽光，因既能吸收直射太陽光，又能吸收漫射太陽光，因此受天氣的影響較?。淮耸芴鞖獾挠绊戄^??；v2.白天集熱棚地面吸收的太陽能短波輻射被儲蓄起白天集熱棚地面吸收的太陽能短

13、波輻射被儲蓄起來，夜間釋放能量發(fā)電，保證機組連續(xù)運轉，持續(xù)來，夜間釋放能量發(fā)電，保證機組連續(xù)運轉，持續(xù)向電網(wǎng)輸送電力；向電網(wǎng)輸送電力；v3.太陽能煙囪結構堅固，使用壽命長，不容易損壞，太陽能煙囪結構堅固，使用壽命長，不容易損壞，僅有的運動部件為空氣渦輪機發(fā)電機組，而且運行僅有的運動部件為空氣渦輪機發(fā)電機組，而且運行工況較為穩(wěn)定可控，因此運行維護簡單，成本低；工況較為穩(wěn)定可控，因此運行維護簡單，成本低；v4.太陽能煙囪和集熱棚均可使用現(xiàn)有常規(guī)材料，設太陽能煙囪和集熱棚均可使用現(xiàn)有常規(guī)材料，設備較其它發(fā)電廠簡單，費用低，而且電廠規(guī)模越大，備較其它發(fā)電廠簡單，費用低，而且電廠規(guī)模越大，功率越大，發(fā)電

14、效率也越高，規(guī)模效應越顯著，經(jīng)功率越大，發(fā)電效率也越高，規(guī)模效應越顯著，經(jīng)濟性越強濟性越強v5.和常規(guī)能源電廠及和常規(guī)能源電廠及CSP電廠不同，電廠不同，SCP發(fā)發(fā)電不需要冷卻水，對于陽光充裕而水資源匱電不需要冷卻水，對于陽光充裕而水資源匱乏的國家來說，熱風力發(fā)電更有吸引力；乏的國家來說，熱風力發(fā)電更有吸引力；v6.可產生衍生技術和拓展應用領域，比如用可產生衍生技術和拓展應用領域，比如用于海水淡化及生產玻璃、水泥等工廠結合，于海水淡化及生產玻璃、水泥等工廠結合，以及采用集熱管等提高空氣溫度，均能不同以及采用集熱管等提高空氣溫度，均能不同程度提高太陽能利用效率、發(fā)電效率和電廠程度提高太陽能利用效

15、率、發(fā)電效率和電廠單元的經(jīng)濟效益；單元的經(jīng)濟效益；v7.電廠不會產生污染，無電廠不會產生污染，無CO2、NOx及及SO2的產生和排放，還能夠利用溫室效應改善局的產生和排放，還能夠利用溫室效應改善局部小氣候。部小氣候。SCP發(fā)電技術的劣勢發(fā)電技術的劣勢v1.發(fā)電效率過低，不足發(fā)電效率過低，不足1%；v2.占地面積大，集熱棚面積大，煙囪高；占地面積大，集熱棚面積大，煙囪高；v3.消耗大量建筑材料，如玻璃、水泥和鋼筋；消耗大量建筑材料，如玻璃、水泥和鋼筋；v4.只適宜與特定地區(qū)，因此建設復合型電廠只適宜與特定地區(qū)，因此建設復合型電廠比較困難；比較困難；v5.適合建設大規(guī)模電站系統(tǒng)，因此初投資比適合建

16、設大規(guī)模電站系統(tǒng)，因此初投資比較高，規(guī)模化建造才能使其初投資能夠接近較高，規(guī)?；ㄔ觳拍苁蛊涑跬顿Y能夠接近相同容量的水電站的建設費用，而相同容量的水電站的建設費用，而200300MW裝機容量的太陽能熱氣流電站裝機容量的太陽能熱氣流電站被認為是比較經(jīng)濟的規(guī)模被認為是比較經(jīng)濟的規(guī)模太陽能煙囪發(fā)電與其他系統(tǒng)的應用太陽能煙囪發(fā)電與其他系統(tǒng)的應用一、太陽能煙囪發(fā)電與海水淡化綜合系統(tǒng)一、太陽能煙囪發(fā)電與海水淡化綜合系統(tǒng) 限于太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的熱力學特性，其太限于太陽能煙囪發(fā)電系統(tǒng)的熱力學特性，其太陽能利用效率較低。為了解決這個問題，相關學者陽能利用效率較低。為了解決這個問題，相關學者提出了綜合系統(tǒng)的概念

17、，太陽能煙囪發(fā)電與海水淡提出了綜合系統(tǒng)的概念，太陽能煙囪發(fā)電與海水淡化綜合系統(tǒng)就是其中的一例?；C合系統(tǒng)就是其中的一例。 50% 50%90%90%的太陽能可見光可透過即熱棚加熱底部的太陽能可見光可透過即熱棚加熱底部海水，升溫后的海水與進入棚內的空氣間發(fā)生熱量和海水，升溫后的海水與進入棚內的空氣間發(fā)生熱量和質量傳遞，促使空氣升溫飽和。依靠集熱棚的溫室效質量傳遞，促使空氣升溫飽和。依靠集熱棚的溫室效應和煙囪的拔風效應，升溫后的空氣形成壓力驅動，應和煙囪的拔風效應，升溫后的空氣形成壓力驅動，向集熱棚中心、煙囪基部匯集。冷凝換熱裝置位于集向集熱棚中心、煙囪基部匯集。冷凝換熱裝置位于集熱棚中心，煙囪下

18、方。換熱過程中，冷凝管上下管段熱棚中心，煙囪下方。換熱過程中，冷凝管上下管段的溫差和煙囪的八風作用，使得外部干冷空氣不斷被的溫差和煙囪的八風作用，使得外部干冷空氣不斷被吸入管內，形成強大氣流，充當冷凝介質。吸收冷凝吸入管內，形成強大氣流，充當冷凝介質。吸收冷凝余熱后的干冷空氣沿煙囪繼續(xù)上升，將空氣內能逐漸余熱后的干冷空氣沿煙囪繼續(xù)上升，將空氣內能逐漸轉變?yōu)閯幽?，推動位于煙囪底部的風力渦輪機發(fā)電。轉變?yōu)閯幽?，推動位于煙囪底部的風力渦輪機發(fā)電。冷凝水則經(jīng)蓄水池收集作為淡水。同時，還可以利用冷凝水則經(jīng)蓄水池收集作為淡水。同時，還可以利用海水的蒸發(fā)濃縮制取海鹽產品，并在海水中進行鹽水海水的蒸發(fā)濃縮制取

19、海鹽產品，并在海水中進行鹽水生物的養(yǎng)殖。生物的養(yǎng)殖。二、太陽能煙囪原理在強化自然通風中的應用二、太陽能煙囪原理在強化自然通風中的應用 自然通風技術是一種節(jié)能和環(huán)境友好的被動式通風自然通風技術是一種節(jié)能和環(huán)境友好的被動式通風冷卻技術。其原理是在溫差引起的熱壓或風壓的作用下冷卻技術。其原理是在溫差引起的熱壓或風壓的作用下驅動室內空間的空氣自然流動，滿足室內空氣調節(jié)的溫驅動室內空間的空氣自然流動，滿足室內空氣調節(jié)的溫度及一定舒適性的要求。然而自然通風的驅動力，即熱度及一定舒適性的要求。然而自然通風的驅動力，即熱壓與風壓，與機械驅動力相比卻較為微弱。因而在一定壓與風壓，與機械驅動力相比卻較為微弱。因而

20、在一定情況下自然通風的使用受到了限制。太陽能煙囪是一種情況下自然通風的使用受到了限制。太陽能煙囪是一種利用太陽輻射能來強化自然通風的有效技術，近年來成利用太陽輻射能來強化自然通風的有效技術，近年來成為研究人員深為重視的研究熱點。為研究人員深為重視的研究熱點。 太陽能煙囪的一個或多個壁面是由玻璃蓋板構成的太陽能煙囪的一個或多個壁面是由玻璃蓋板構成的透明墻體，可以利用透過透明玻璃蓋板的太陽輻射熱增透明墻體，可以利用透過透明玻璃蓋板的太陽輻射熱增加煙囪內外溫差從而增加浮力和熱壓，利用煙囪效應的加煙囪內外溫差從而增加浮力和熱壓，利用煙囪效應的抽吸作用使冷空氣從建筑物的下部進入。熱空氣從建筑抽吸作用使冷

21、空氣從建筑物的下部進入。熱空氣從建筑物上部排出。在建筑物內形成空氣流動，增加室內通風物上部排出。在建筑物內形成空氣流動，增加室內通風量、改善通風效果，從而達到通風、除濕、降溫、排除量、改善通風效果，從而達到通風、除濕、降溫、排除有害氣體的目的。有害氣體的目的。11.4磁懸浮永久電機磁懸浮永久電機 原理原理：v轉子在永磁場中被托起，轉子在永磁場中被托起，然后靠轉子自身上的太陽能然后靠轉子自身上的太陽能電池供電，就能不停旋轉。電池供電，就能不停旋轉。 v它將磁懸浮、太陽能、直它將磁懸浮、太陽能、直流馬達三者的原理相結合，流馬達三者的原理相結合，用幾塊超強釹磁鐵保持轉子用幾塊超強釹磁鐵保持轉子懸浮，轉子上的線圈由其上懸浮，轉子上的線圈由其上4 4片高效的單晶硅太陽能電片高效的單晶硅太陽能電池供電，通過電力產生磁場，池供電，通過電力產生磁場，驅動轉子轉動，就和普通的驅動轉子轉動，就和普通的直流電機一樣。直流電機一樣。 特