风力机原理及应用11章

1、第第11章章 其他风力机其他风力机 赵鑫、默辰雨、焦立亮、韩浩、梁啊强赵鑫、默辰雨、焦立亮、韩浩、梁啊强 11.111.1风道式风轮风道式风轮v将进入风力扫风面的风能加以将进入风力扫风面的风能加以“浓缩浓缩”，既提高该处，既提高该处的风能密度，并使风速较周围环境风速更为均匀，的风能密度，并使风速较周围环境风速更为均匀，则该风轮的输出必然增加。则该风轮的输出必然增加。v图图11-1所示为风道式风轮的结构示意图，安装风筒所示为风道式风轮的结构示意图，安装风筒后受其壁面的影响，风轮叶片翼型的流线变化。后受其壁面的影响，风轮叶片翼型的流线变化。v处于自由流场中的风轮叶处于自由流场中的风轮叶片，风轮之中

2、及其前后，气片，风轮之中及其前后，气流速度的径向分量都很小，流速度的径向分量都很小，因而气流作用在风轮上的径因而气流作用在风轮上的径向力可忽略；在风道中，气向力可忽略；在风道中，气流先渐缩后渐扩，流线在风流先渐缩后渐扩，流线在风轮扫风面处形成拐点，因而轮扫风面处形成拐点，因而气流曲线运动形成的离心力气流曲线运动形成的离心力对风筒壁面形成压力，其反对风筒壁面形成压力，其反作用是壁面对气流产生径向作用是壁面对气流产生径向作用力，如图作用力，如图11-211-2所示这就所示这就是进入风筒的气流收到挤压、是进入风筒的气流收到挤压、浓缩，因而单位扫风面上的浓缩，因而单位扫风面上的功率将得以提高。功率将得

3、以提高。v风道式风力机与自由流场中风力机的理想功率之风道式风力机与自由流场中风力机的理想功率之比为比为v气流增加可提高风道式风力机的功率输出。影响气流增加可提高风道式风力机的功率输出。影响功率输出，即影响诱导风速功率输出，即影响诱导风速rr提高的因素有风提高的因素有风洞翼型形状、风轮直径洞翼型形状、风轮直径D D。风轮前后速比。风轮前后速比（2/1)2/1)、空气密度、空气密度等。风筒翼型缩放程度等。风筒翼型缩放程度提高，达到同样缩放程度而翼型长度减小，均可提高，达到同样缩放程度而翼型长度减小，均可提高风筒壁面对气流的作用力提高风筒壁面对气流的作用力ArAr；D D减小、速比减小、速比（2/1

4、)2/1)减小以及空气密度减小以及空气密度增加也可提高诱增加也可提高诱导速度导速度rr，增加风道式风轮的功率输出。，增加风道式风轮的功率输出。v需要说明的是：关于风道式风力机输出功率的分需要说明的是：关于风道式风力机输出功率的分析，建立在不考虑空气黏性的无摩擦流动的前提析，建立在不考虑空气黏性的无摩擦流动的前提下。下。风道式风力发电机迎风及其调速方法风道式风力发电机迎风及其调速方法v为降低风道式风力发电机的成本为降低风道式风力发电机的成本,提出了一种风力发提出了一种风力发电机迎风及调速方法。在风道装置始终正对风向的电机迎风及调速方法。在风道装置始终正对风向的条件下条件下,由于偏心机构和凸轮机构

5、的共同作用由于偏心机构和凸轮机构的共同作用,在风在风速低时速低时,风轮正对着风向风轮正对着风向,在风速超限时在风速超限时,风轮相应侧风轮相应侧偏偏,以限制风轮转速。该方法可有效地起到大风限速以限制风轮转速。该方法可有效地起到大风限速的作用的作用,提高风力发电机工作的稳定性。该调速机构提高风力发电机工作的稳定性。该调速机构结构简单、成本低结构简单、成本低,安装维护方便。安装维护方便。v风道式风力发电机的迎风及限速方法有两种风道式风力发电机的迎风及限速方法有两种:一种是一种是通过减速电机带动风道加速装置水平旋转来改变方通过减速电机带动风道加速装置水平旋转来改变方向向,达到限速的目的；另一种是利用风

6、道加速装置的达到限速的目的；另一种是利用风道加速装置的结构特点保持正对风向结构特点保持正对风向,利用电磁限速方法进行限速。利用电磁限速方法进行限速。 内蒙古新型风道式风力发电机问世内蒙古新型风道式风力发电机问世11.3热气流风力机v热气流风力机主要由太阳能空气集热器、风力涡轮及烟囱等设备组成。v其工作原理为：利用其工作原理为：利用烟囱顶部密度较大的烟囱顶部密度较大的冷空气与其底部热空冷空气与其底部热空气的密度差形成的抽气的密度差形成的抽吸作用，以产生垂直吸作用，以产生垂直向上的气流驱动风力向上的气流驱动风力涡轮发电。涡轮发电。v太阳能集热器则用于太阳能集热器则用于加热空气，提供烟囱加热空气，提

7、供烟囱抽吸功能的动力，如抽吸功能的动力，如图图11-4所示。所示。图 11-4 热气流风力机v高度为高度为Hc的烟囱，在烟囱出口环境空气密度的烟囱，在烟囱出口环境空气密度o及烟囱内热空气平均密度及烟囱内热空气平均密度-条件下产生的条件下产生的抽吸力总压差抽吸力总压差P为为v这一总压差用于克服空气重力、空气与烟囱这一总压差用于克服空气重力、空气与烟囱壁面摩擦力之外，剩余的压力能则由风力涡壁面摩擦力之外，剩余的压力能则由风力涡轮转化为机械能。所以烟囱优化设计中，在轮转化为机械能。所以烟囱优化设计中，在考虑成本、结构安全的同时，应尽可能提高考虑成本、结构安全的同时，应尽可能提高烟囱高度、提高热空气温

8、度并减少对外界散烟囱高度、提高热空气温度并减少对外界散热、提高烟囱内壁面的光滑度等。热、提高烟囱内壁面的光滑度等。太阳能烟囱发电技术太阳能烟囱发电技术v以燃煤为主的电力发展不仅面临环境保护的巨大压以燃煤为主的电力发展不仅面临环境保护的巨大压力，而且面临煤炭、石油等能源储备有限的状况。力，而且面临煤炭、石油等能源储备有限的状况。因此，中国必须逐步改变现有的过分依赖煤炭、石因此，中国必须逐步改变现有的过分依赖煤炭、石油的能源结构，大力开发利用新能源。在新能源应油的能源结构，大力开发利用新能源。在新能源应用中，太阳能烟囱发电是适宜中国的优良发电技术。用中，太阳能烟囱发电是适宜中国的优良发电技术。太阳

9、能烟囱发电技术具有设备简单、运行费用低、太阳能烟囱发电技术具有设备简单、运行费用低、适合建设在人口稀少的沙漠地区、不产生有害物、适合建设在人口稀少的沙漠地区、不产生有害物、具有良好的环境效应等优点。在中国应用太阳能烟具有良好的环境效应等优点。在中国应用太阳能烟囱发电技术尤其必要。囱发电技术尤其必要。发电原理发电原理v太阳能烟囱发电技术成功地将温室技术、烟太阳能烟囱发电技术成功地将温室技术、烟囱技术和风力涡轮机技术等囱技术和风力涡轮机技术等3种成熟技术结合种成熟技术结合为一体。为一体。v集热棚用玻璃或塑料透明材料建成，并用金集热棚用玻璃或塑料透明材料建成，并用金属框架作为支撑，集热棚四周与地面留

10、有一属框架作为支撑，集热棚四周与地面留有一定的间隙。大约定的间隙。大约90%的太阳可见光（短波辐的太阳可见光（短波辐射射能够穿过透明的集热棚，被棚内地面能够穿过透明的集热棚，被棚内地面吸收。吸收。v由于温室效应，即热棚能由于温室效应，即热棚能够很好的阻隔地面发出的够很好的阻隔地面发出的长波辐射。因此，太阳能长波辐射。因此，太阳能集热棚是太阳能的有效搜集热棚是太阳能的有效搜集和贮存系统。棚内被加集和贮存系统。棚内被加热的地面与棚内空气之间热的地面与棚内空气之间的热交换，使集热棚内的的热交换，使集热棚内的空气温度升高，受热空气空气温度升高，受热空气由于密度下降而上升，进由于密度下降而上升，进入集热

11、棚中部的烟囱。棚入集热棚中部的烟囱。棚外的冷空气通过四周的间外的冷空气通过四周的间隙进入即热棚，形成了集隙进入即热棚，形成了集热棚内空气的连续流动。热棚内空气的连续流动。热空气在烟囱中上升速度热空气在烟囱中上升速度提高，上升气流推动涡轮提高，上升气流推动涡轮发电机运转发电。发电机运转发电。v用热气流风力机发电时，其输出的电功率与装用热气流风力机发电时，其输出的电功率与装置在单位时间内采集的太阳能辐射能之比，反置在单位时间内采集的太阳能辐射能之比，反映了装置能量转换利用的效率。它不但取决于映了装置能量转换利用的效率。它不但取决于风力涡轮风力涡轮发电机组的机电效率，还与太阳辐发电机组的机电效率，还

12、与太阳辐射能强度、集热器面积、集热器面盖材料的透射能强度、集热器面积、集热器面盖材料的透光性、地面土壤或岩石的物理性能等有关，也光性、地面土壤或岩石的物理性能等有关，也与烟囱的抽吸效率有关。与烟囱的抽吸效率有关。SCP( Solar Chimney Power Plant System )CP( Solar Chimney Power Plant System )发电技术的优点发电技术的优点v1.既能吸收直射太阳光，又能吸收漫射太阳光，因既能吸收直射太阳光，又能吸收漫射太阳光，因此受天气的影响较小；此受天气的影响较小；v2.白天集热棚地面吸收的太阳能短波辐射被储蓄起白天集热棚地面吸收的太阳能短

13、波辐射被储蓄起来，夜间释放能量发电，保证机组连续运转，持续来，夜间释放能量发电，保证机组连续运转，持续向电网输送电力；向电网输送电力；v3.太阳能烟囱结构坚固，使用寿命长，不容易损坏，太阳能烟囱结构坚固，使用寿命长，不容易损坏，仅有的运动部件为空气涡轮机发电机组，而且运行仅有的运动部件为空气涡轮机发电机组，而且运行工况较为稳定可控，因此运行维护简单，成本低；工况较为稳定可控，因此运行维护简单，成本低；v4.太阳能烟囱和集热棚均可使用现有常规材料，设太阳能烟囱和集热棚均可使用现有常规材料，设备较其它发电厂简单，费用低，而且电厂规模越大，备较其它发电厂简单，费用低，而且电厂规模越大，功率越大，发电

14、效率也越高，规模效应越显著，经功率越大，发电效率也越高，规模效应越显著，经济性越强济性越强v5.和常规能源电厂及和常规能源电厂及CSP电厂不同，电厂不同，SCP发发电不需要冷却水，对于阳光充裕而水资源匮电不需要冷却水，对于阳光充裕而水资源匮乏的国家来说，热风力发电更有吸引力；乏的国家来说，热风力发电更有吸引力；v6.可产生衍生技术和拓展应用领域，比如用可产生衍生技术和拓展应用领域，比如用于海水淡化及生产玻璃、水泥等工厂结合，于海水淡化及生产玻璃、水泥等工厂结合，以及采用集热管等提高空气温度，均能不同以及采用集热管等提高空气温度，均能不同程度提高太阳能利用效率、发电效率和电厂程度提高太阳能利用效

15、率、发电效率和电厂单元的经济效益；单元的经济效益；v7.电厂不会产生污染，无电厂不会产生污染，无CO2、NOx及及SO2的产生和排放，还能够利用温室效应改善局的产生和排放，还能够利用温室效应改善局部小气候。部小气候。SCP发电技术的劣势发电技术的劣势v1.发电效率过低，不足发电效率过低，不足1%；v2.占地面积大，集热棚面积大，烟囱高；占地面积大，集热棚面积大，烟囱高；v3.消耗大量建筑材料，如玻璃、水泥和钢筋；消耗大量建筑材料，如玻璃、水泥和钢筋；v4.只适宜与特定地区，因此建设复合型电厂只适宜与特定地区，因此建设复合型电厂比较困难；比较困难；v5.适合建设大规模电站系统，因此初投资比适合建

16、设大规模电站系统，因此初投资比较高，规模化建造才能使其初投资能够接近较高，规模化建造才能使其初投资能够接近相同容量的水电站的建设费用，而相同容量的水电站的建设费用，而200300MW装机容量的太阳能热气流电站装机容量的太阳能热气流电站被认为是比较经济的规模被认为是比较经济的规模太阳能烟囱发电与其他系统的应用太阳能烟囱发电与其他系统的应用一、太阳能烟囱发电与海水淡化综合系统一、太阳能烟囱发电与海水淡化综合系统 限于太阳能烟囱发电系统的热力学特性，其太限于太阳能烟囱发电系统的热力学特性，其太阳能利用效率较低。为了解决这个问题，相关学者阳能利用效率较低。为了解决这个问题，相关学者提出了综合系统的概念

17、，太阳能烟囱发电与海水淡提出了综合系统的概念，太阳能烟囱发电与海水淡化综合系统就是其中的一例。化综合系统就是其中的一例。 50% 50%90%90%的太阳能可见光可透过即热棚加热底部的太阳能可见光可透过即热棚加热底部海水，升温后的海水与进入棚内的空气间发生热量和海水，升温后的海水与进入棚内的空气间发生热量和质量传递，促使空气升温饱和。依靠集热棚的温室效质量传递，促使空气升温饱和。依靠集热棚的温室效应和烟囱的拔风效应，升温后的空气形成压力驱动，应和烟囱的拔风效应，升温后的空气形成压力驱动，向集热棚中心、烟囱基部汇集。冷凝换热装置位于集向集热棚中心、烟囱基部汇集。冷凝换热装置位于集热棚中心，烟囱下

18、方。换热过程中，冷凝管上下管段热棚中心，烟囱下方。换热过程中，冷凝管上下管段的温差和烟囱的八风作用，使得外部干冷空气不断被的温差和烟囱的八风作用，使得外部干冷空气不断被吸入管内，形成强大气流，充当冷凝介质。吸收冷凝吸入管内，形成强大气流，充当冷凝介质。吸收冷凝余热后的干冷空气沿烟囱继续上升，将空气内能逐渐余热后的干冷空气沿烟囱继续上升，将空气内能逐渐转变为动能，推动位于烟囱底部的风力涡轮机发电。转变为动能，推动位于烟囱底部的风力涡轮机发电。冷凝水则经蓄水池收集作为淡水。同时，还可以利用冷凝水则经蓄水池收集作为淡水。同时，还可以利用海水的蒸发浓缩制取海盐产品，并在海水中进行盐水海水的蒸发浓缩制取

19、海盐产品，并在海水中进行盐水生物的养殖。生物的养殖。二、太阳能烟囱原理在强化自然通风中的应用二、太阳能烟囱原理在强化自然通风中的应用 自然通风技术是一种节能和环境友好的被动式通风自然通风技术是一种节能和环境友好的被动式通风冷却技术。其原理是在温差引起的热压或风压的作用下冷却技术。其原理是在温差引起的热压或风压的作用下驱动室内空间的空气自然流动，满足室内空气调节的温驱动室内空间的空气自然流动，满足室内空气调节的温度及一定舒适性的要求。然而自然通风的驱动力，即热度及一定舒适性的要求。然而自然通风的驱动力，即热压与风压，与机械驱动力相比却较为微弱。因而在一定压与风压，与机械驱动力相比却较为微弱。因而

20、在一定情况下自然通风的使用受到了限制。太阳能烟囱是一种情况下自然通风的使用受到了限制。太阳能烟囱是一种利用太阳辐射能来强化自然通风的有效技术，近年来成利用太阳辐射能来强化自然通风的有效技术，近年来成为研究人员深为重视的研究热点。为研究人员深为重视的研究热点。 太阳能烟囱的一个或多个壁面是由玻璃盖板构成的太阳能烟囱的一个或多个壁面是由玻璃盖板构成的透明墙体，可以利用透过透明玻璃盖板的太阳辐射热增透明墙体，可以利用透过透明玻璃盖板的太阳辐射热增加烟囱内外温差从而增加浮力和热压，利用烟囱效应的加烟囱内外温差从而增加浮力和热压，利用烟囱效应的抽吸作用使冷空气从建筑物的下部进入。热空气从建筑抽吸作用使冷

21、空气从建筑物的下部进入。热空气从建筑物上部排出。在建筑物内形成空气流动，增加室内通风物上部排出。在建筑物内形成空气流动，增加室内通风量、改善通风效果，从而达到通风、除湿、降温、排除量、改善通风效果，从而达到通风、除湿、降温、排除有害气体的目的。有害气体的目的。11.4磁悬浮永久电机磁悬浮永久电机 原理原理：v转子在永磁场中被托起，转子在永磁场中被托起，然后靠转子自身上的太阳能然后靠转子自身上的太阳能电池供电，就能不停旋转。电池供电，就能不停旋转。 v它将磁悬浮、太阳能、直它将磁悬浮、太阳能、直流马达三者的原理相结合，流马达三者的原理相结合，用几块超强钕磁铁保持转子用几块超强钕磁铁保持转子悬浮，转子上的线圈由其上悬浮，转子上的线圈由其上4 4片高效的单晶硅太阳能电片高效的单晶硅太阳能电池供电，通过电力产生磁场，池供电，通过电力产生磁场，驱动转子转动，就和普通的驱动转子转动，就和普通的直流电机一样。直流电机一样。 特