基于垂直變向的風(fēng)力發(fā)電裝置

王賢　金祺然

研究背景

南極地區(qū)的風(fēng)力資源極為豐富，但是風(fēng)能卻因環(huán)境惡劣而無法被利用。原因有二：一是固體顆粒物對扇葉的破壞，二是溫度太低，冰末慢慢堆積凍結(jié)，扇葉越來越笨重，大大降低扇葉的旋轉(zhuǎn)效率。本項(xiàng)目旨在設(shè)計一種在風(fēng)能豐富但環(huán)境惡劣的情況下，有效利用風(fēng)能發(fā)電并減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)損傷的裝置。

研究過程

如何在惡劣環(huán)境下減少風(fēng)力發(fā)電裝置損傷的方法討論

如何減少風(fēng)力發(fā)電裝置的損傷，我們有1個初步的設(shè)計方向：是否能減少甚至避免風(fēng)力發(fā)電裝置的扇葉與沙、石粒、雪粒等顆粒的直接接觸。因此，我們的第一個設(shè)想是利用空腔使大風(fēng)中的顆粒物沉降以保護(hù)風(fēng)扇。但經(jīng)過討論分析，我們發(fā)現(xiàn)需要定期清潔空腔，維護(hù)成本較高，且在計算風(fēng)能利用率時發(fā)現(xiàn)效率較低，與我們的設(shè)計初衷相悖，于是我們繼續(xù)探討別的方法。

如何有效利用風(fēng)能

對于如何有效利用風(fēng)能，我們思考有沒有一種方法能提高風(fēng)速以達(dá)到增加發(fā)電效率的作用。這時，我們想到了飛機(jī)，飛機(jī)飛行就是由于機(jī)翼上下表面空氣流速不同，那么我們是否能通過類似的結(jié)構(gòu)，利用發(fā)電機(jī)內(nèi)都與外部的氣壓差增加風(fēng)速。于是我們設(shè)計了一個拱形外殼裝置的發(fā)電機(jī)，并通過實(shí)驗(yàn)探究驗(yàn)證這種設(shè)計是否可行。我們設(shè)計了一個實(shí)驗(yàn)，通過輕小物體的擺動角度將風(fēng)速量化測量，從而判斷裝置的可行性（實(shí)驗(yàn)過程略）。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)有無拱形外殼，風(fēng)洞中的風(fēng)力幾乎沒有差別，拱形外殼對其下方的風(fēng)道進(jìn)風(fēng)效果沒有影響，于是我們放棄了這個設(shè)想。

氣壓差的另一種利用

雖然放棄了以上設(shè)想，但我們認(rèn)識到運(yùn)用氣壓差發(fā)電是一個很好的突破口。為滿足“避免風(fēng)力發(fā)電裝置的扇葉受沙、石粒、雪粒等顆粒的直接干擾”這一需求，我們決定在拱形外殼裝置中開1個豎直管道。根據(jù)氣體流速越大壓強(qiáng)越小的原理，拱形上部空氣流速大，下部管道空氣流速小，從而產(chǎn)生了上下空氣的壓強(qiáng)差，空氣就會順著豎直管道上升，此時若在豎直管道中安裝風(fēng)扇，那么氣流會帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，起到發(fā)電的效果。與此同時，空氣中所攜帶的固體顆粒物因?yàn)樽陨碇亓Γ约皯T性作用而無法隨上升氣流進(jìn)入豎直管道，就隨著水平管道的氣流一起排出發(fā)電裝置。

為了驗(yàn)證這個想法是否可行，我們利用塑料瓶進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)過程略）。結(jié)果證明，利用流體速度的木同所產(chǎn)生的壓強(qiáng)差發(fā)電可行。這樣，我們實(shí)現(xiàn)了在“減少甚至避免風(fēng)力發(fā)電裝置的扇葉受顆粒物直接干擾”的情況下對風(fēng)能的利用。

如何提高裝置的風(fēng)能利用率

我們首先提出的方法是并排設(shè)置豎直風(fēng)道，這顯然是提高風(fēng)能利用率的基本方法。之后，為了加大上下部空氣的壓強(qiáng)差，我們將底部的風(fēng)洞合并在一起。在翻看之前的設(shè)想和實(shí)驗(yàn)記錄后，我們又發(fā)現(xiàn)了最初設(shè)想的缺點(diǎn)，空腔對空氣流速的削弱作用，正好加大了上下的氣壓差。于是，我們又對裝置進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行了3D建模（見圖1），繪制了三視圖（見圖2、圖3）。從圖2可以看出，氣流從下部的通道進(jìn)入中間的空腔，由于空腔的管徑比通道大，所以氣流在進(jìn)入空腔后會減弱，與上方較快的氣流產(chǎn)生較大的壓強(qiáng)差，帶動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動發(fā)電。從圖3可以看出，2個并排的豎直發(fā)電機(jī)，增大了對風(fēng)能的利用率。

模型制作

模型內(nèi)部較為復(fù)雜，所以我們將之放大并取其中的一半（剖面）制作，分2部分進(jìn)行3D打?。ㄒ妶D4）。

改進(jìn)

完成以上設(shè)計后，我們拿著作品向教師尋求意見。教師就我們設(shè)計的初衷“提高風(fēng)能利用率”提出了幾點(diǎn)建議。他提出，我們目前利用的僅僅是裝置上側(cè)，那么是否可以改變裝置形狀，將裝置改成梭形，則可在裝置的沿軸l周設(shè)置管道，這樣就能大大提高發(fā)電機(jī)的利用率（見圖5和圖6，圖5為4根管道時的設(shè)計圖，管道數(shù)目還可增加）。當(dāng)然，通風(fēng)管道的口徑也可作出變化。

之后，教師又提出一個想法，他認(rèn)為我們過于拘泥裝置的對稱性。于是我們查找了相關(guān)資料，最后設(shè)計出這種會隨風(fēng)向而改變朝向的裝置（見圖7、圖8）.這樣，發(fā)電裝置就能一直保持迎風(fēng)的方向，進(jìn)一步提高了發(fā)電的效率。

我們又設(shè)計了一個實(shí)驗(yàn)（實(shí)驗(yàn)過程略），研究最新改進(jìn)的裝置的實(shí)際效率。經(jīng)過計算，我們發(fā)現(xiàn)裝置實(shí)際效率并不是很高，因而我們對裝置做了2處改動：一是在裝置空腔的后部添加1個導(dǎo)風(fēng)板，在導(dǎo)風(fēng)板上開1個開口，這樣就能在提高風(fēng)能利用率的同時使顆粒物正常排出;二是在裝置的尾部加裝尾翼，使其能始終朝向迎風(fēng)的方向。通過模型實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明，實(shí)物模型的豎直風(fēng)道對風(fēng)能的利用較高，在只有1根管道的情況下利用率可達(dá)19%，若安裝4根管道，考慮額外損耗后，總效率在30%～40%。

小結(jié)

設(shè)計方案獲得了國家發(fā)明專利，裝置結(jié)構(gòu)簡單實(shí)用，能夠利用南極豐富的風(fēng)力資源發(fā)電，可改變在南極使用柴油發(fā)電污染環(huán)境、成本極高的現(xiàn)狀，具有較大的市場推廣價值，預(yù)期可以產(chǎn)生較好的環(huán)保效果和經(jīng)濟(jì)效益。

該項(xiàng)目獲得第33屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項(xiàng)目中學(xué)組能源科學(xué)類一等獎。

專家評語

本項(xiàng)目研究了一種新型的基于垂直變向的風(fēng)力發(fā)電裝置，通過調(diào)節(jié)風(fēng)管氣流的方向和大小，以達(dá)到在某些特定環(huán)境下發(fā)電的效果。建議進(jìn)一步改進(jìn)電機(jī)及葉片材料，優(yōu)化風(fēng)道.提高發(fā)電效率。