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风力发电的新方式:垂直轴空气压缩式空气动力发电
(时间:2020-3-17 8:45:39)

   过度的二氧化碳排放造成了全球的气候污染,迫使人们寻找新的更环保、更经济、更安全的新能源。电动汽车的产生就是一个例子。在发电方面,风能发电无疑是一种很好的选择。
   但是,由于风能发电本身的原因,在全球的发电量中风能发电的占比不到10%,(中国比例更低),那么原因在哪里呢?瓶颈在哪里呢? 概括起来,主要有以下两个两方面的原因。
   第一 ,“天有不测风云”,风能本省具有随机性和不可控制性特征。
   由于风能本身的随机性,导致风能发电机不能产生平稳的电能,并导致并网使用困难。专业人士称为“弃风”现象,这个问题到现在一直没有得到根本的解决。
   第二,在结构方面,发能发电机机结构设计问题。
   目前,主流的风力发电机结构多是“三叶片叶轮,水平轴,单机直驱。”这种结构,对风场的自然条件要求很高,风力利用率低风场占地面积大,投资大。
   用什么办法解决这个影响风力发电发展的瓶颈,是进一步发展风力发电所要解决的当务之急。
   “储能转换”是解决以上问题的一个可行性方案。“储能转换”的基本理念就是,把不可控不稳定能量先储存存起来,然后再做稳定的能量输出。如水力发电,把不稳定的水流动能通过大坝先储存起来,在大坝的下方就能产生恒稳的水流动能,稳定地转化为电能。空气流的动能,也就是风能,用风力机推动空气压缩机产生的高压空气也是不稳定的。如果能把大量不稳定的高压空气以一定的方式储存起来,同样可以生成稳定的高压空气输出。 
   用恒稳的高压空气来推动涡轮机发电,这样可以发出稳定的电流。在这方面,我们中国已经领先了。例如,中国科学院工程物理研究所,于2018年底在西南某地做了一个相关试验。目前,这个工程至今运行效果良好。但是该工程耗量巨大,工期较长长,很难灵活使用,对于中小型的电站,显然是是不便使用的。
   这里我们做了一种创新,适用于可以在不同的风力,不同的地理环境,不同的规模下灵活使用的发电方式,就是,垂直轴空气压缩储能式的空气动力发电系统。 其基本工作流程与原理陈述如下。

   一,用多个的垂直轴的小风力涡轮机,驱动多个空气压缩机,产生高压空气。把高压空气汇集储存起来以后,就可以生成稳定可控高压气流输,用稳定的高压气流去驱动空气涡轮机带动发电机发电。这样就可以做到既不受天气的影响,又可以全天平稳发电。实现全天候的发电。“储能转换”就是为了能量平稳输出平稳发电。只有平稳发电才并网使用。
   有人会提出问题,这种能量转换必会产生能量损失怎么办?
   可以增大输入风能来抵偿能量转换时造成的能量损失,要知道风能是免费的,风力机产生的动能,与风力机的掠风面积成正比,和风速度三次方成正比。增大风力机的掠风的掠风面积,提高风力机进口局部的风速。就可以增大的输入风能。可以补偿在能量转换时的能量损失。那么怎么增大的掠风面积,提高风机进口的风速速度呢?我们可以增大风机的招风面积,也就是在垂直轴风力机,风机的两侧做两个“挡板”,就好像大鹰的翅膀一样把周围的风集中到中间来(水平轴做不到)。在风机入口处用引导技术(就好像水压高压龙头)把入口风速提高。这样就可以提高风力机产生功率。补偿在能量转换时的能量损失。
   另外发电的同时可全天“致冷,制水”加以附加利用,发电过后减压的尾气可循环使用减低能量损失。
   二,为什么要用锤直轴呢?水平轴风力机的风能利用率是有极限的。最大不会超过59%(贝茨极限 Betzs lan)。但理论试验都证明垂直轴风力利用率比水平轴风力高。垂直轴风力机的风能利用极限是可以突破贝茨极限的(有过72%的报道)。这是我们采用垂直轴的主要原因。
   另外用了垂直轴的风力机就好像把平房改成楼房,也就是把大量水平风力发电机立起来摞起来既可以节省大量的宝贵土地,又可以扩大使用条件(比如楼房顶,岛屿,军舰)。
   三,为了提高风力动能。在结构上除了增加几个水平轴风力机无法做到集风板以外,本系统的动力机与主流风力发电的动力机结构不同。用涡轮代替了三叶片。也就是用涡轮机代替了螺旋桨叶片机。而且,风动力机推动的不再是发电机而是空气压缩机。产生的不是电能,是空气的压力势能(气压势能)。
   随着大量的低压压缩空气用储能容器储存的同时,容器中的气压势能也就随着增加了。到一定压强时我们用这种高压空气去推动空气涡轮机,空气涡轮机产生旋转动力矩来带动发电机发电。顺便提一下,空气涡轮动力机是用涡扇涡轮来使空气增压增速的。现在已经很成熟了。我们用涡轮发动机来推动发电机,也是为了是提高能量的利用率的。
   为了区别于主流的风力发电系统,本系统可以名为空气动力发电系统。
   它的结构主要有三部分是:第一.垂直轴风力驱动单元。第二,空气压缩单元。第三储压发电单元。垂直风力驱动单元的垂直轴与空气压缩单元的轴相连接。驱动所属的空气压缩机将一般的空气变成较高压力的压缩空气。空气储存单元与储能发电单元连接。储压发电单元,包括压缩空气储存容器以及空气涡轮动力机带动的发电机。储能容器与空气涡轮动力力机相连,用高压空气经过空气涡轮机来推动发电机发电。
   它的工作流程是:使用经集风增压后的大流量高速空气,推动垂直轴涡轮机发生动力矩,推动空气压缩机产生压缩空气。大量的压缩空气在储存容器中空气储存的同时也增加了空气压缩势能。增量增能后的高压空气,通过空气涡轮机产生高速扭力矩,推动涡轮机带动发动机发电。由于,所输出的高压空气是平稳的可控的所以发电机发出的电能也是平稳可控的。
   这种空气动力发电机,不单克服了风力的随机性和不可控制性,在微风情况下也可发电。降低了对风场条件的要求。只要有足够的风力储存是有望实现24小时的全风况下全天平稳地发电。可贵的是,他使用的是再生能源,除了日常维护外,运行费几乎为0。而且是环保的无二氧化碳排放污染的。
   有人会产生这样的问题:这种空气动力发电系统,比起主流的风力发电系统,多了一套空气压缩储存系统。是不是会产生高的造价呢?我们的回答,是。但只是初期建设时的投资高。这种空气动力发电动机,它的年发电量增加了。系统所增加的投资费用,可以用他的年发电量得到补偿。初步测算估计这种空气动力发电系统,比现在的主流风力发电机年发电量增加30%以上(不同的地区不同类型会不一样)。也就是说单位发电量的性能价格比会比主流风力发电系统要提高。因为他而对环境的要求也低了,占地面积小了投资也会减少。所以总体看还是“只赢不亏”的,
   那么这种新型的风力发电系统是什么样子呢?它就像一个立起来的大鹰。鹰头部是用于小风微风时的发动装置。两个翅膀是集风板,把风引到中间来。他的身体上部分是空气动力机,中间部分是压缩机和空气储存容器.。为了减少发电时噪音他的底部才是空气涡轮机和发电机还有控制机房。这里我们只提供一个说明原理的简图。
   那么这空气动力发电系统的发展前途怎么样?
   这种空气动力发电系统。利用的还是风力,只是在风力发电的基础上的一种创新,保持风力发电的优势。又克服了风力发电进一步发展的瓶颈困难,他有望实现全天候全风况的发电。还降低了发电风场要求,提高了系统的应用适应性。,从经济上考虑,由于空气动力发电系统的运行投入很少。会发电可制水致冷,有很高的性能价格比。会有很高的经济回报,他必然具有很高的竞争能力。
   如果这种很有潜力的发电方式被广泛的采用,风力发电乃致整个发电事业会发生新的变化。首先,风能发电的发电量在全球发电量所占的比分(电占比)将会提高。其次,全球由于发电而产生的二氧化碳排量将会减低。会发出更清洁更便宜的电。
   风力发电,一度是世界各各国政府所大力支持的项目一度发展也很快(我国在上世纪90年代,政府就有风力发电价格补贴)。但是如前说过的原因,风力发电当下是似乎有些“失宠” 。
   在我国,煤电是我国的发电主力,煤炭和电形成的产业链有很高的垄断地位和发言权,这种格局难以改变。
   但是从世界范围来看,风力发电在发展中的国家,能源稀缺的国家,仍然还有很大的市场和发展潜力。在一带一路的发展思路下,这种新型空气动力发电系统定会被更广泛发的采用。
   风力发电的新纪元一定会到来! 

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