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風力發電的新方式:垂直軸空氣壓縮式空氣動力發電
(時間:2020-3-17 8:45:39)

   過度的二氧化碳排放造成了全球的氣候污染,迫使人們尋找新的更環保、更經濟、更安全的新能源。電動汽車的產生就是一個例子。在發電方面,風能發電無疑是一種很好的選擇。
   但是,由于風能發電本身的原因,在全球的發電量中風能發電的占比不到10%,(中國比例更低),那么原因在哪里呢?瓶頸在哪里呢? 概括起來,主要有以下兩個兩方面的原因。
   第一 ,“天有不測風云”,風能本省具有隨機性和不可控制性特征。
   由于風能本身的隨機性,導致風能發電機不能產生平穩的電能,并導致并網使用困難。專業人士稱為“棄風”現象,這個問題到現在一直沒有得到根本的解決。
   第二,在結構方面,發能發電機機結構設計問題。
   目前,主流的風力發電機結構多是“三葉片葉輪,水平軸,單機直驅。”這種結構,對風場的自然條件要求很高,風力利用率低風場占地面積大,投資大。
   用什么辦法解決這個影響風力發電發展的瓶頸,是進一步發展風力發電所要解決的當務之急。
   “儲能轉換”是解決以上問題的一個可行性方案。“儲能轉換”的基本理念就是,把不可控不穩定能量先儲存存起來,然后再做穩定的能量輸出。如水力發電,把不穩定的水流動能通過大壩先儲存起來,在大壩的下方就能產生恒穩的水流動能,穩定地轉化為電能。空氣流的動能,也就是風能,用風力機推動空氣壓縮機產生的高壓空氣也是不穩定的。如果能把大量不穩定的高壓空氣以一定的方式儲存起來,同樣可以生成穩定的高壓空氣輸出。 
   用恒穩的高壓空氣來推動渦輪機發電,這樣可以發出穩定的電流。在這方面,我們中國已經領先了。例如,中國科學院工程物理研究所,于2018年底在西南某地做了一個相關試驗。目前,這個工程至今運行效果良好。但是該工程耗量巨大,工期較長長,很難靈活使用,對于中小型的電站,顯然是是不便使用的。
   這里我們做了一種創新,適用于可以在不同的風力,不同的地理環境,不同的規模下靈活使用的發電方式,就是,垂直軸空氣壓縮儲能式的空氣動力發電系統。 其基本工作流程與原理陳述如下。

   一,用多個的垂直軸的小風力渦輪機,驅動多個空氣壓縮機,產生高壓空氣。把高壓空氣匯集儲存起來以后,就可以生成穩定可控高壓氣流輸,用穩定的高壓氣流去驅動空氣渦輪機帶動發電機發電。這樣就可以做到既不受天氣的影響,又可以全天平穩發電。實現全天候的發電。“儲能轉換”就是為了能量平穩輸出平穩發電。只有平穩發電才并網使用。
   有人會提出問題,這種能量轉換必會產生能量損失怎么辦?
   可以增大輸入風能來抵償能量轉換時造成的能量損失,要知道風能是免費的,風力機產生的動能,與風力機的掠風面積成正比,和風速度三次方成正比。增大風力機的掠風的掠風面積,提高風力機進口局部的風速。就可以增大的輸入風能。可以補償在能量轉換時的能量損失。那么怎么增大的掠風面積,提高風機進口的風速速度呢?我們可以增大風機的招風面積,也就是在垂直軸風力機,風機的兩側做兩個“擋板”,就好像大鷹的翅膀一樣把周圍的風集中到中間來(水平軸做不到)。在風機入口處用引導技術(就好像水壓高壓龍頭)把入口風速提高。這樣就可以提高風力機產生功率。補償在能量轉換時的能量損失。
   另外發電的同時可全天“致冷,制水”加以附加利用,發電過后減壓的尾氣可循環使用減低能量損失。
   二,為什么要用錘直軸呢?水平軸風力機的風能利用率是有極限的。最大不會超過59%(貝茨極限 Betzs lan)。但理論試驗都證明垂直軸風力利用率比水平軸風力高。垂直軸風力機的風能利用極限是可以突破貝茨極限的(有過72%的報道)。這是我們采用垂直軸的主要原因。
   另外用了垂直軸的風力機就好像把平房改成樓房,也就是把大量水平風力發電機立起來摞起來既可以節省大量的寶貴土地,又可以擴大使用條件(比如樓房頂,島嶼,軍艦)。
   三,為了提高風力動能。在結構上除了增加幾個水平軸風力機無法做到集風板以外,本系統的動力機與主流風力發電的動力機結構不同。用渦輪代替了三葉片。也就是用渦輪機代替了螺旋槳葉片機。而且,風動力機推動的不再是發電機而是空氣壓縮機。產生的不是電能,是空氣的壓力勢能(氣壓勢能)。
   隨著大量的低壓壓縮空氣用儲能容器儲存的同時,容器中的氣壓勢能也就隨著增加了。到一定壓強時我們用這種高壓空氣去推動空氣渦輪機,空氣渦輪機產生旋轉動力矩來帶動發電機發電。順便提一下,空氣渦輪動力機是用渦扇渦輪來使空氣增壓增速的。現在已經很成熟了。我們用渦輪發動機來推動發電機,也是為了是提高能量的利用率的。
   為了區別于主流的風力發電系統,本系統可以名為空氣動力發電系統。
   它的結構主要有三部分是:第一.垂直軸風力驅動單元。第二,空氣壓縮單元。第三儲壓發電單元。垂直風力驅動單元的垂直軸與空氣壓縮單元的軸相連接。驅動所屬的空氣壓縮機將一般的空氣變成較高壓力的壓縮空氣。空氣儲存單元與儲能發電單元連接。儲壓發電單元,包括壓縮空氣儲存容器以及空氣渦輪動力機帶動的發電機。儲能容器與空氣渦輪動力力機相連,用高壓空氣經過空氣渦輪機來推動發電機發電。
   它的工作流程是:使用經集風增壓后的大流量高速空氣,推動垂直軸渦輪機發生動力矩,推動空氣壓縮機產生壓縮空氣。大量的壓縮空氣在儲存容器中空氣儲存的同時也增加了空氣壓縮勢能。增量增能后的高壓空氣,通過空氣渦輪機產生高速扭力矩,推動渦輪機帶動發動機發電。由于,所輸出的高壓空氣是平穩的可控的所以發電機發出的電能也是平穩可控的。
   這種空氣動力發電機,不單克服了風力的隨機性和不可控制性,在微風情況下也可發電。降低了對風場條件的要求。只要有足夠的風力儲存是有望實現24小時的全風況下全天平穩地發電。可貴的是,他使用的是再生能源,除了日常維護外,運行費幾乎為0。而且是環保的無二氧化碳排放污染的。
   有人會產生這樣的問題:這種空氣動力發電系統,比起主流的風力發電系統,多了一套空氣壓縮儲存系統。是不是會產生高的造價呢?我們的回答,是。但只是初期建設時的投資高。這種空氣動力發電動機,它的年發電量增加了。系統所增加的投資費用,可以用他的年發電量得到補償。初步測算估計這種空氣動力發電系統,比現在的主流風力發電機年發電量增加30%以上(不同的地區不同類型會不一樣)。也就是說單位發電量的性能價格比會比主流風力發電系統要提高。因為他而對環境的要求也低了,占地面積小了投資也會減少。所以總體看還是“只贏不虧”的,
   那么這種新型的風力發電系統是什么樣子呢?它就像一個立起來的大鷹。鷹頭部是用于小風微風時的發動裝置。兩個翅膀是集風板,把風引到中間來。他的身體上部分是空氣動力機,中間部分是壓縮機和空氣儲存容器.。為了減少發電時噪音他的底部才是空氣渦輪機和發電機還有控制機房。這里我們只提供一個說明原理的簡圖。
   那么這空氣動力發電系統的發展前途怎么樣?
   這種空氣動力發電系統。利用的還是風力,只是在風力發電的基礎上的一種創新,保持風力發電的優勢。又克服了風力發電進一步發展的瓶頸困難,他有望實現全天候全風況的發電。還降低了發電風場要求,提高了系統的應用適應性。,從經濟上考慮,由于空氣動力發電系統的運行投入很少。會發電可制水致冷,有很高的性能價格比。會有很高的經濟回報,他必然具有很高的競爭能力。
   如果這種很有潛力的發電方式被廣泛的采用,風力發電乃致整個發電事業會發生新的變化。首先,風能發電的發電量在全球發電量所占的比分(電占比)將會提高。其次,全球由于發電而產生的二氧化碳排量將會減低。會發出更清潔更便宜的電。
   風力發電,一度是世界各各國政府所大力支持的項目一度發展也很快(我國在上世紀90年代,政府就有風力發電價格補貼)。但是如前說過的原因,風力發電當下是似乎有些“失寵” 。
   在我國,煤電是我國的發電主力,煤炭和電形成的產業鏈有很高的壟斷地位和發言權,這種格局難以改變。
   但是從世界范圍來看,風力發電在發展中的國家,能源稀缺的國家,仍然還有很大的市場和發展潛力。在一帶一路的發展思路下,這種新型空氣動力發電系統定會被更廣泛發的采用。
   風力發電的新紀元一定會到來! 

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