无叶片风力发电机--VORTEX.doc

. VORTEX没有叶片的风力发电机就是这么酷一前言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2.74109MW，其中可利用的风能为2107MW1。随着全球经济的发展，所面临的能源问题和环境问题越来越严峻，使得风能等可再生能源迅速发展起来。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，也就是说说，风电装机量在中国发电装机总量当中占据大约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纸？它需要更少的材料，成本更低，噪声更小，对环境友好度更好关上你的脑洞，来一睹它的风采吧这个酷炫的没有叶片的风机是由西班牙公司Vortex Bladeless开发。无叶片风机Vortex的工作原理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。二Vortex的发电原理卡门涡街无叶片风机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”2-3。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恰恰是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各部分：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。通常在一般情况下，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。由无叶片风机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。三Vortex的技术特色无叶片风机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的话，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。这家公司目前已经完成了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。四Vortex的发展规划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。这四个阶段的细节说明如下：此外，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。五结语无叶片风机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。参考资料1 风力发电_百度百科2https:/zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8D%A1%E9%97%A8%E6%B6%A1%E8%A1%973 Karman, Th. von, Uber den Mechanismus des Widerstandes,den ein bewegter Korper in einer Flusigkeit erfarhrt, Gottingen Nachrichten mathematiche-physicalische Klasse (1911) 509-517.注：部分图片和数据来自于Vortex Bladeless网页。内容来源于知乎叫我电气小混混长按扫描，关注我的公众号：机电安装 9 / 9