基于垂直變向的風力發電裝置

王賢　金祺然

研究背景

南極地區的風力資源極為豐富，但是風能卻因環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，扇葉越來越笨重，大大降低扇葉的旋轉效率。本項目旨在設計一種在風能豐富但環境惡劣的情況下，有效利用風能發電并減少風力發電機損傷的裝置。

研究過程

如何在惡劣環境下減少風力發電裝置損傷的方法討論

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

如何有效利用風能

對于如何有效利用風能，我們思考有沒有一種方法能提高風速以達到增加發電效率的作用。這時，我們想到了飛機，飛機飛行就是由于機翼上下表面空氣流速不同，那么我們是否能通過類似的結構，利用發電機內都與外部的氣壓差增加風速。于是我們設計了一個拱形外殼裝置的發電機，并通過實驗探究驗證這種設計是否可行。我們設計了一個實驗，通過輕小物體的擺動角度將風速量化測量，從而判斷裝置的可行性（實驗過程略）。經過實驗，我們發現有無拱形外殼，風洞中的風力幾乎沒有差別，拱形外殼對其下方的風道進風效果沒有影響，于是我們放棄了這個設想。

氣壓差的另一種利用

雖然放棄了以上設想，但我們認識到運用氣壓差發電是一個很好的突破口。為滿足“避免風力發電裝置的扇葉受沙、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。根據氣體流速越大壓強越小的原理，拱形上部空氣流速大，下部管道空氣流速小，從而產生了上下空氣的壓強差，空氣就會順著豎直管道上升，此時若在豎直管道中安裝風扇，那么氣流會帶動風扇轉動，起到發電的效果。與此同時，空氣中所攜帶的固體顆粒物因為自身重力，以及慣性作用而無法隨上升氣流進入豎直管道，就隨著水平管道的氣流一起排出發電裝置。

為了驗證這個想法是否可行，我們利用塑料瓶進行了實驗（實驗過程略）。結果證明，利用流體速度的木同所產生的壓強差發電可行。這樣，我們實現了在“減少甚至避免風力發電裝置的扇葉受顆粒物直接干擾”的情況下對風能的利用。

如何提高裝置的風能利用率

我們首先提出的方法是并排設置豎直風道，這顯然是提高風能利用率的基本方法。之后，為了加大上下部空氣的壓強差，我們將底部的風洞合并在一起。在翻看之前的設想和實驗記錄后，我們又發現了最初設想的缺點，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，我們又對裝置進行改進，并進行了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入中間的空腔，由于空腔的管徑比通道大，所以氣流在進入空腔后會減弱，與上方較快的氣流產生較大的壓強差，帶動風扇轉動發電。從圖3可以看出，2個并排的豎直發電機，增大了對風能的利用率。

模型制作

模型內部較為復雜，所以我們將之放大并取其中的一半（剖面）制作，分2部分進行3D打印（見圖4）。

改進

完成以上設計后，我們拿著作品向教師尋求意見。教師就我們設計的初衷“提高風能利用率”提出了幾點建議。他提出，我們目前利用的僅僅是裝置上側，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周設置管道，這樣就能大大提高發電機的利用率（見圖5和圖6，圖5為4根管道時的設計圖，管道數目還可增加）。當然，通風管道的口徑也可作出變化。

之后，教師又提出一個想法，他認為我們過于拘泥裝置的對稱性。于是我們查找了相關資料，最后設計出這種會隨風向而改變朝向的裝置（見圖7、圖8）.這樣，發電裝置就能一直保持迎風的方向，進一步提高了發電的效率。

我們又設計了一個實驗（實驗過程略），研究最新改進的裝置的實際效率。經過計算，我們發現裝置實際效率并不是很高，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個導風板，在導風板上開1個開口，這樣就能在提高風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的方向。通過模型實驗，結果證明，實物模型的豎直風道對風能的利用較高，在只有1根管道的情況下利用率可達19%，若安裝4根管道，考慮額外損耗后，總效率在30%～40%。

小結

設計方案獲得了國家發明專利，裝置結構簡單實用，能夠利用南極豐富的風力資源發電，可改變在南極使用柴油發電污染環境、成本極高的現狀，具有較大的市場推廣價值，預期可以產生較好的環保效果和經濟效益。

該項目獲得第33屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組能源科學類一等獎。

專家評語

本項目研究了一種新型的基于垂直變向的風力發電裝置，通過調節風管氣流的方向和大小，以達到在某些特定環境下發電的效果。建議進一步改進電機及葉片材料，優化風道.提高發電效率。