陕西省通公风机有限公司
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没有叶片的风机

无叶片风机Vortex利用“卡门涡街”原理来进行风力发电,这是风能的一个技术飞跃,将以更有效、更便宜、更具环境友好的方式来产生能量。

随着全球经济的发展,能源问题和环境问题越来越严峻,这使得可再生能源迅速发展起来。风能作为一种清洁的可再生能源,越来越受到世界各国的重视。其蕴量巨大,全球的风能约为2.74×109MW,其中可利用的风能为2×107MW。根据国家能源局数据,2014年中国全部发电设备容量为1360GW,其中并网风电的容量达到了95.8GW,也就是说,风电在中国发电总量当中占据大约7%的份额。

一般情况下,我们所看见的风力发电机都是水平轴扇叶风机

,他们有着很大的风机叶片,以此来吸收风能并发电。然而,这样的风电机有一些弊端。一个风电场的众多风机之间的排列需要较大的安全距离,也就是说一块固定大小的地面上能够安装的风电机数量是有限的;另外,扇叶的旋转也对鸟类带来了危险。

想象一下,一个没有叶片的风机会是什么样子?它需要更少的材料,成本更低,噪声更小,对环境友好度更好……就在今年,西班牙公司Vortex Bladeless开发了一款酷炫的没有叶片的风机——Vortex。无叶片风机Vortex是利用结构的振荡捕获风的动能,从而利用感应发电机或压电发电机将风的动能转变成电能输出。该设计理念将减少常规涡轮机中很多零部件的设计与制造,如叶片,机舱,轮毂,变速器,制动装置,转向系统等,从而使无叶片风机Vortex具有无磨损、性价比高、便于安装和维护、环境友好型及土地利用率高等显著特点。

无叶片风机Vortex的基本发电原理是卡门涡街。维基百科上这样描述它,“在流体中安置阻流体,在特定条件下会出现不稳定的边界层分离,阻流体下游的两侧,会产生两道非对称地排列的旋涡,其中一侧的旋涡循时针方向转动,另一旋涡则反方向旋转,这两排旋涡相互交错排列,各个旋涡和对面两个旋涡的中间点对齐,如街道两边的街灯般。这种现象,因匈牙利裔美国空气动力学家西奥多?冯?卡门最先从理论上阐明而得名“卡门涡街”。“卡门涡街”可以解释许多现象。1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥(Tacoma Narrow Bridge)崩塌事件。华盛顿州政府特为此而设立专案调查组,经过美国空气动力学家西奥多?冯?卡门在加州理工学院风洞进行模型测试,证明塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,是卡门涡街引起吊桥共振。原设计为了求美观及省钱,使用过轻的物料,造成其发生共振的破坏频率,与卡门涡街接近,从而随强风而剧烈摆动,导致吊桥崩塌。

与一般风机通过涡轮的旋转运动捕捉风能所不同的是,无叶片风机Vortex恰恰利用了卡门涡街来实现风能的捕获。通过利用这种空气动力学的不稳定,无叶片风机Vortex可与风速“同步”以保持共振,将振荡最大化并进行机械能量的捕获,进而利用该机械能进行发电。自然地,与传统的涡轮机相比,无叶片风机Vortex的设计是完全不同的。Vortex的风机原型主要包括5个部分:基础(foundation)、固定桅杆(rod)、发电机(generation system)、调谐系统(tuning system)和椎体(mast)。该锥体材质为复合玻璃纤维及碳纤维,让锥体能尽可能产生最大值振荡。若有足够的风量,空气流动时产生的涡量就能造成风机塔架结构振荡与摇晃,进而发电。通常情况下,必须在风速达到特定的频率才能造成结构产生振荡。但Vortex利用塔架底部的两个环形相斥磁铁作为非电动马达,当锥体朝其中一个方向摆荡,底部相斥的磁铁便会将其推往另一个方向。因此无论风速如何,锥体本身都能持续产生最大值振荡。一旦锥体开始振荡,振荡时产生的机械能就会通过锥体底部的发电机,将机械能转换为电能。从无叶片风机Vortex的发电原理来看,其属于涡度发电机。涡度发电机的另一种使用形式为垂直轴发电机,垂直轴发电机依然使用的是直吹的风,只不过把旋转轴从水平变成了垂直。

无叶片风机Vortex的一个显著特色是其成本较低。与一般的风机相比,其成本可减少40%。包括资金成本、运行和维护、土地租赁、保险和其他管理费用在内,其典型归一化成本约为$0.035/kWh。这将极大降低开发Vortex风场的资金投入,不仅对其他可再生能源开发方式具有较高的竞争力,与传统能源相比,其性价比也较高。Vortex风机成本的降低主要来源于制造成本的降低:Vortex将塔和发电机集成进一个结构,从而减少了移动部件和制造材料;此外,Vortex取消了机舱、支撑结构和传统风机中成本最高的部分之一——风叶。与传统风机相比,其制造成本大概可减少53%,并且运输、建造和组织的过程也将被简化。

Vortex风机的设计使其机械部件避免了磨损和摩擦撕裂,因此在风机的运行过程中不需要更换部件及添加润滑油,从而可使维护成本减少80%。但是,这样同时会带来机构的疲劳问题,风会引起风机机构产生位移,尤其是弹性杆底部需要承受较大的力。不过,Vortex Bladeless公司对Vortex风机的杆体材料即碳纤维进行了研究,结果表明弹性杆的应力远未达到碳纤维的工作极限,其寿命至少在30年。与传统风机相比,还有一个较大的区别就是Vortex风机的发电机接近地面,从而便于组装和维护。

此外,Vortex风机还具有占地小,对环境的安全影响较低等优势。Vortex风机对风吹来的方向没有限制——这和传统的水平轴风机相比是一个极大的优势。也就是说,如果这种技术在未来得到更广泛地使用,任何有风的地方都可以安装发电机,不必像现在的风电场一样,需要一年中有持续的来自某一方向的风,才能保证足够的使用效率和投资回报。

风机的发电效率是一个较为重要的技术参数。经过实地测试,Vortex Mini型风机(100W)的风能利用效率,较传统风力涡轮发电机低30%。但无叶片风机Vortex所占的空间相对较小,并且其成本较低,这些优势可以弥补本身风能利用效率较低的不足之处。

总的来说,Vortex的优势还是比劣势多。这项技术已经吸引了来自 Harvard University、SunEdison公司的TerraForm 功率可再生能源事业部Power Inc.和Dat Venture的兴趣。

Vortex Bladeless 拟推出的Vortex风机,最大容量为1MW,主要适用于大规模发电:大客户、可再生能源的投资商和电力公司;中小容量的为4kW和100W,主要适用于家用或工业发电。Vortex Bladeless给出了其商业计划,该计划长达48个月,分为四个技术发展阶段,其最终目标是1MW发电机的预商用制造。目前已经完成了100万美元的融资,第一款风机Vortex Mini将在一年内完成研发和优化,进入量产阶段。

75年前的事故

1940年11月7日美国华盛顿州塔科马海峡吊桥(Tacoma Narrow Bridge)崩塌事件。华盛顿州政府特为此而设立专案调查组,证明塔科马海峡吊桥倒塌事件的元凶,是卡门涡街引起吊桥共振。

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