擴散放大器風力機
Diffuser Augmented Wind Turbines

我們都知道風功率與風速的3次方成正比,有沒有可能通過什么方法能提高風速呢?有兩個凸面相對的彎曲翼片,當氣流流過兩個翼片間時速度會有較大的提高,圖1是氣流的示意圖。

擴散器風力機,擴散器氣流圖

圖1--擴散器氣流示意圖

把一個圓管的截面做成圖1所示翼片,見圖2,圖中右圖是管子的側剖面圖,其剖面與圖1翼片相同;圖中左圖是管子的立體剖面圖,把這個圓管稱為擴散器。氣流流過圓管時,在中部截面最小處的流速比管外要快許多,把風輪安裝在中部截面最小處,這種由風輪與擴散器組合成的風力機稱為擴散放大型風力機。

如果管中流速能增加10%,則風功率可增加33.1%,相當于風輪的風能利用系數(shù)上升為原來的133.1%,是很可觀的。

擴散器風力機,漸縮漸擴型擴散器

圖2--漸縮漸擴型擴散器

目前常用的擴散器主要兩種,漸縮漸擴型與單一漸擴型。圖2所示的是漸縮漸擴型擴散器,氣流進入擴散器先收縮,經(jīng)過最小截面后再擴散。

在圖3中展示的是單一漸擴型擴散器,圖中右圖是管子的側剖面圖,圖中左圖是管子的立體剖面圖,擴散器的前端沒有收縮部分,只有后部的擴散部分,故叫單一漸擴型擴散器。氣流進入擴散管后由于管截面擴大使氣流速度迅速降低,使管前后的壓差增加,增大入口處的氣流速度。

單一漸擴型擴散器,擴散器風力機

圖3--單一漸擴型擴散器

擴散器的物理尺寸主要有最小處面積,出口面積,長度,進口面積;擴散放大器的主要性能指標是最小截面處的流速與來流速度的增加比率(流速比)。一般來說,在長度相同時,流速比隨出口面積與最小處面積之比的增大而增大;在出口面積與最小處面積之比相同時,適當增加長度也可增大流速比;在出口面積與最小處面積之比相同時,漸縮漸擴型比單一漸擴型的流速比要大些。另外來流速度大比來流速度小時的流速比要大。以上這些都是在一定的尺寸變化范圍內(nèi)的性能。

在實際應用中,采用較短的擴散管可減少生產(chǎn)與安裝成本,也能起到一定的增速效果,圖4是短管的漸縮漸擴型風力機示意圖。

短管的漸縮漸擴型風力機

圖4 短管的漸縮漸擴型風力機

圖5是短管的單一漸擴型擴散器風力機示意圖。

單一漸擴型擴散器風力機

圖5--單一漸擴型擴散器風力機

早在1957年我國著名科學家錢學森就提出采用擴散器的“風洞風車”方案,其原理結構見圖6,風洞風車由引射器與擴壓器組成,這種結構能形成較大的流速比,但結構較復雜,目前應用較少,多數(shù)省去引射器,只使用擴壓器,也就是前面介紹的兩種形式。

風洞風車,擴散器風力機

圖6--風洞風車示意圖

擴散器型風力機也要對風才能獲得最大的功率,除個別大型擴散器型風力機采用測風向機械驅(qū)動對風外,多數(shù)采用自動對風方式。其中以下風式用的多,即利用擴散器的阻力進行對風。圖7是國內(nèi)某高校研制的擴散器型風力機,是采用尾舵進行對風。

帶尾舵的擴散型風力機

圖7--帶尾舵的擴散型風力機

圖8與圖9是網(wǎng)絡上國外的擴散型風力機圖片。

網(wǎng)絡上的擴散型風力機圖片(1)

圖8--網(wǎng)絡上的擴散型風力機圖片(1)

圖9 網(wǎng)絡上的擴散型風力機圖片(2)

圖9 網(wǎng)絡上的擴散型風力機圖片(2)

擴散型風力機可明顯提高風輪的效率,據(jù)有關文章介紹,國內(nèi)某高校研制的200W小型擴散型風力發(fā)電機的風輪面積1.2平方米,在風速為10m時的風能利用系數(shù)為0.52,非常好,遠高于普通風力機。

擴散型風力機雖可明顯提高風輪的效率,但擴散器加大了對風的阻力、擴散器的重量使塔桿負荷加大,擴散器的制造與安裝成本明顯增高;如果采用增加風輪葉片長度來提高風輪的輸出功率,其成本增加或許要少些。對于MW以上的風力機,把直徑數(shù)十米的擴散器安裝到數(shù)十米高的塔架上,并能抵御強風,其工程龐大,費用將是十分高昂的。對于一個風力機的商用價值首先要考慮的是每發(fā)1kW電的設備的生產(chǎn)與安裝與維護成本,所以目前擴散型風力機僅用于微型與小型風力機。 垂直軸風力機也可以使用擴散器來提高風能利用率,帶擴散器的垂直軸風力機常用在海流發(fā)電中。

有國外的發(fā)明家利用充氣擴散器的方法巧妙的解決了大型擴散器的難題,這種充輕質(zhì)氣體的擴散器飄浮在空中,用鋼纜(附電纜)牽引,不用塔架,即可獲得空中的高風速,又可擴壓增速,還能自動對風,確實不錯,見圖10。

空中漂浮的擴散型風力機

圖10--空中漂浮的擴散型風力機

不過擴散器將多年在空中飄浮,長期在強紫外線與強風作用下要保證蒙皮材料的強度與韌性,目前達到這種要求的材料恐怕還很昂貴,再說一些安全措施也要全面考慮。目前國外已有小型漂浮式擴散器風力機的試驗機型,對于大型風力機還要等材料科技的發(fā)展才能實現(xiàn)飄浮擴散器風力機的商業(yè)應用。

如果有合適的建筑空間被設計成擴散器,則是對擴散器原理很好的應用,圖10是在兩個高樓間形成擴散器,安裝3組風輪的成功案例。

利用建筑空間形成的擴散器

圖11 利用建筑空間形成的擴散器
 
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