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介紹萬向風車（一）
風能是自然界中清潔的可再生能源，地球上可利用的風能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風能為2.53億kW，海上可利用的風能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風能是10m高度層的2倍。我國的風能資源非常豐富，新疆、內蒙、甘肅一帶風能最大，強度約200~300瓦/米2，平均4000~5000小時/年（參見《中國大百科全書》—風力機）。我國西部和東南沿海地區地域遼闊，如能大力發展風力發電，不僅可為經濟建設提供動力，而且還能保護環境，治理風沙，減少二氧化碳氣體排放，可謂一舉多得！
風能,其實準確地說也是太陽能，是由太陽的熱量，地球的旋轉，地球表面的不規則而引起的空氣流動。風能具有許多優勢條件，所以它是世界上成長非常迅速的能源。
風能是清潔能源，風能不像依靠燃燒化石燃料（例如，煤炭或者天然氣）的火電廠那樣污染空氣，風能不產生引起酸雨的物質，也不產生溫室氣體。
利用風能的最大挑戰就是風力是斷斷續續的，不穩定的，不均勻的。風能不能儲存（除非用蓄電池），也不能根據電力的需求進行調整。
幾個世紀以來，風力發電一直受到人們的關注。1890年，丹麥的一項風力發電機計畫，首次將風力機（也稱風車、風透平機、風輪）用於發電設想，到1918年丹麥已有120颱風力發電機。第一次世界大戰後，應用風力來發電曾出現高潮，丹麥、荷蘭應用最早也最廣。後來由於中東油田的發現，使風力發電事業的發展緩慢下來，直到20世紀70年代，由於能源短缺和環境污染，風力發電才又出現高潮。
要利用風力發電，就必須先把風能轉化為機械能，然後再用發電機把機械能轉換為電能。把風能轉化為機械能，就要利用風車，風車是風力發電過程中的關鍵設備。鑒於風車的種類繁多，因此分類方法也是多種。按葉片數量分為：單葉片，雙葉片，三葉片，四葉片和多葉片；按主軸與地面的相對位置分為：水準軸、垂直軸(立軸)；按槳葉工作原理分為：升力型、阻力型。目前大量使用的風力發電設備以三葉片水準軸升力型（一般稱螺旋槳風車）居多。
一、螺旋槳風車的缺欠
第一個風車出現在歐洲是水準軸結構。對於這種由波斯垂直軸設計而突然走進水準軸結構的進展原因已經不知道了。原因之一可能是水準軸結構的葉片掃風面積（葉片接觸風的面積）最大，事實上歐洲水輪也有水準軸結構。別的原因可能是水準結構的拖曳型比垂直結構的拖曳型效率高，由於遮罩的需要，垂直軸結構的拖曳型丟失了它們的轉軸收集面積的一半。
水準軸結構的風車葉片需要與其旋轉平面存在一定角度，這樣風車在風力的作用下才能旋轉，這就使葉片與空氣之間相對運動的軌跡成為螺旋線，所以，也稱螺旋槳風車。
螺旋槳風車從一開始出現就處在不斷的改進當中，歐洲風車的主要改進是它的設計者對於產生空氣動力學升力的成功運用。這一特點提供了轉子效率的重大改進，使效率比波斯風車更高，並讓轉子的轉速增加。完善風車槳葉，使效率增加的改進過程，已有500年。在完成這一過程期間，風車槳葉有了全部經過現代設計師驗證的顯著的特色，這對於現代風力透平機葉片的完成也是至關緊要的，包括1）拱形螺旋槳的前緣；2）在1/4弦長位置（由前緣到後緣的25%）放置帆桅；3）重心在1/4弦長位置；4）葉片由根部到頂端的非線性扭曲（Drees,1977）。……等。
但是，螺旋槳風車雖經不斷改進，卻仍然存在許多問題和缺欠，使風電成本居高不下，設備效率、安全、維修、運輸……都存在許多問題，使風電在與其他能源的競爭中處於不利地位，嚴重的影響著風電的發展。
二、垂直軸風車的不足
我們知道，最古老的波斯風車是垂直軸風車，因為效率較低被水準軸風車擠出了風能發展的歷史舞臺。但，垂直軸風車對風向沒有要求，不管風向如何風車都能旋轉，這對於安裝在低空和農牧場的小型風力發電系統是非常重要的，這是水準軸風車所不具備的長處。
現代垂直軸風輪的發展是在法國由G.J.M. Darrieus於1920年開始的。關於達裏厄（Darrieus）型風輪的設計，最重要的是包含微薄的，彎曲的，螺旋槳斷面的葉片安裝在旋轉的垂直管子的頂部和底部（一般稱“O”型垂直軸風車）。基於這一概念的發展工作在當時並沒有開始，直到1960年由兩個加拿大研究員因不知他人已發明的情況下才又從新使用。
與螺旋槳風車一樣，達裏厄（Darrieus）風車從一開始出現就處在不斷的改進當中。後來人們把彎葉片改成了直葉片，從而出現了H型達裏厄（Darrieus）風車。
達裏厄（Darrieus）風車最要命的缺點就是不能自啟動。如果說螺旋槳升力型風車雖然啟動也不容易，但只要風力足夠大還是能夠啟動起來的；但達裏厄（Darrieus）風車如果沒有一定轉速，風再大也啟動不起來。這是由於風車升力的產生和升力的方向，需要葉片有一定旋轉速度再與風速合成可視風速後，才能產生旋轉力矩使風車旋轉。這個轉速怎樣產生呢？自然風力不能使風車產生這個轉速，那只有加外力了，例如：電力、燃油動力等。不難想像，如果風車一停，就需要加外力（電力或燃油動力）使其從新旋轉，這該多麼麻煩……。
另外，達裏厄（Darrieus）風車要想處於最佳工作狀態，需要風速、轉速、負載三者都處於最佳範圍，這是很窄的範圍。離開這個範圍，風車工作就不穩定，要麼停轉，要麼飛車……。毫無疑問，達裏厄風車也不是理想的，能夠使風能成為人類主要能源的風電設備。
三、萬向風車簡介
萬向風車是將風能轉換成機械能的能量轉換設備，由支架、轉軸、葉片等三部分組成。
萬向風車是根據流體力學原理和空氣動力學原理發明的新式風車，力求克服螺旋槳風車和達裏厄（Darrieus）風車的缺欠，開發出新型的，更高效，更安全，更經濟的風力發電設備，為保護環境，節能減排做出貢獻！
萬向風車的特點：
1、效率高
風車效率的差異是很大的，不僅不同種類的風車間存在著效率上的差異，（例如：升力型風車的效率高於阻力型風車；水準軸風車高於垂直軸風車……等，）而同一種類型的風車也存在著很大差異，例如，螺旋槳風車如果造得不好，葉片的非線性扭轉不正確，葉片選型不恰當，葉片製造精度達不到要求，葉片就不能產生升力，或者產生的升力很小，這就會使螺旋槳風車變成阻力型風車，效率也會很低。
現代水準軸螺旋槳風力機的有效輸出功率：w ＝0.155 ρ D2 v3
ρ－空氣密度，D－風輪直徑，v－風速
也可以寫為w＝0.5cρA v 3
c－機械效率因素（通常0.1－0.5），ρ－空氣密度，A－葉片掃過的區域，v－風速
由上式可以看出，風車的輸出功率與風速的三次方成正比，與葉片的掃風面積成正比，與空氣密度成正比。
萬向風車的輸出功率，與上式基本相同。但需要注意的是，在同等材料數量情況下，萬向風車的掃風面積小於螺旋槳風車的一半（由於背風面的葉片不與風接觸）。這就使萬向風車的功率輸出小於螺旋槳風車的一半，與達裏厄（Darrieus）風車相同。
需要指出的是，雖然從理論上說，萬向風車效率不如水準軸，但水準軸螺旋槳風車要達到最佳輸出狀態，需要風速、轉速、負載三者都處於最佳範圍，這是很窄的範圍。離開這個範圍，風車工作就不穩定，要麼停轉，要麼飛車……。再加上螺旋槳風車葉片需要非線性扭轉（即使用調漿的辦法，收效也不大），並且升力的大小和方向都受轉速影響，如果全面考慮到這些情況，萬向風車的輸出功率不會小於水準軸螺旋槳風車，特別是H型達裏厄（Darrieus）風車。
2、啟動力矩大
要分析風車的啟動力矩，就要對風車在靜態時的受力狀況作受力分析。萬向風車的交叉葉片既有阻力作用又有升力作用，所以其啟動力矩與阻力型風車不相上下，而比以斜面迎風的螺旋槳式風車要大。因此，萬向風車在微風下即可轉動。這一特點使萬向風車的風能利用範圍更寬，如果匹配合適，萬向風車能做到只要有風就能發電。
3、設計容易
專利法實施細則第二條指出，專利法所稱發明，是指對產品、方法或者其改進所提出的新的技術方案。因為是技術方案，所以在具體實施時，就必須進行設計。螺旋槳式風車設計複雜，需要選擇的參數雖然不多，但選擇的範圍小。例如：葉片橫截面的形狀、葉片非線性扭曲、葉片材料、尾舵大小……等等，都需要進行精心的計算和選擇，有的還需要試驗測定。這主要是因為螺旋槳式風車各個參數之間的聯繫過於密切，一個參數的改變會引起其他參數的改變，這就可能使性能的提高和降低相互抵消，難於得到最佳設計。而萬向風車需要選擇和設計的參數雖然不少，但選擇的範圍比較寬，特別是各參數之間相互關聯比較小，這就容易得出最佳設計。例如：如果利用調漿技術來改善風車效率，螺旋槳風車的葉片只有一個調漿自由度，而萬向風車可以有力臂、葉片仰角、葉片傾斜角等，三個自由度。
4、建造簡單
萬向風車無論是葉片、支架、轉軸，還是基礎平臺，都不需要特殊的製造工藝和材料。螺旋槳式風力機葉片由於受力狀況不好，為了減輕重量並達到一定強度，都是用碳纖維增強樹脂製造出來的,製造過程複雜，程式繁多，要達到高質量的性能要求，必須有嚴格的條件控制。而且，保存、運輸過程也有極嚴格的規定和要求，稍有碰撞和損傷，將嚴重影響性能；萬向風車葉片用0．3~1mm的鍍鋅鐵板、鋁板、不銹鋼板、彩鋼、……等材料製造都可以，用金屬板製造，其工藝簡單，製造容易，運輸方便……。萬向風車可以很容易地向海上發展，利用海洋風能。
5、結構緊湊
由於結構緊湊，給發展小型風力發電機解決偏遠地區農牧民用電問題創造了條件 ，使萬向風車可以放在狹小的只要有風的地方就可以,並且轉軸方向也可以任意放置，無所謂水準軸、垂直軸。多個萬向風車還可以串聯或者並聯使用，從而提高輸出功率，並使風車可以向高空發展。F型萬向風車還可以製造成風力飛行器，用動力使其升入高空，利用高空風能發電，再用電纜將發出的電輸回地面。
（沒完待續） |
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淘汰旧技术，采用新发明。造福全人类，世界更文明！
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發表於 2011-8-2 23:22:32
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