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    绳柱风车发电系统
    作者:周鉴恒    文章来源:作者惠赐    点击数:    更新时间:2011-3-15
    风力发电的商业运转先天上有两项主要缺点:一、地面风速较小,风能密度不高,以致于功率较大的风车尺寸都必须很大,且须装设在塔柱上;二、地面风速变化相当大,有时甚至无风,因此一般风车的利用率,约仅为预计利用率的19%至35%左右。气象研究显示:高空长年吹拂强劲且稳定的风。本研究提出绳柱风车的构想,利用风筝将风车拉升至高空,使风车稳定平衡而迎风发电,产生稳定可靠且功率较符实用的电力输出,满足一般用电的需求。这项创作涉及电磁学、力学的重要概念以及气象知识,启发风力发电之创新;适合学生组队研制,寓教于乐,经实际操作,发展出一种效果颇佳的教学模式。

    (原载:《物理教育学刊》,2010,第十一卷第一期,13-22 

    前言

    太阳光照射地表,引起大气的流动,于是形成风,地球获得的太阳能约有2%转变成风能,因此风力也是一种太阳能。人类利用风力的历史极长,从在海上航行的各种帆船,到乡间用来抽水、磨面粉的古老风车,都是发思古幽情的杰作。

    由于大量使用化石能源,使得近年来二氧化碳排放量和大气中二氧化碳浓度都创了历史新高,温室效应使得地球暖化的现象日益严重,所衍生的气候异常、粮食欠收、生态破坏等问题,后果堪虑;再加上各国竞相使用化石能源,造成油价节节上涨,国际关系紧张,洁净的风力能源又再度受到重视。

     风车1,2,3大致可分为扬力lifting force型和阻力drag force型两种。考虑风能的转换效率,现代的风力发电机大都采用扬力型风车,并且大量借助航天科技,使得风车的材料、构造等均臻于完善。扬力型风车包括达利欧Darrieus型的垂直轴风车和常见的水平轴式旋桨风车。

    然而风能的利用有其特征:空气的流动造成风。质量为m的空气,如果它的速度为V ,则它的动能为  。单位时间流过风车旋转面的空气体积,可以表示成风车旋转面之面积A与风速V 之乘积,这个空气体积AV 再乘空气密度ρ,即得单位时间流过的空气的质量m,此时风的动能流过风车旋转面的功率为:

                      ………………… (1)

    风车截获风的动能而输出的功率L可表示为:

                                 ………………… (2)

     其中Cp为由风车性能决定的输出系数,亦即风车得到风能之功率正比于风车的受风面积,也正比于风速的三次方。这说明风速对风力发电的重要性。

    气象研究显示:高空长年吹拂强劲且稳定的风4风速随高度变化的情形,由各种实验得知一般可用下列方程式表示5

                            ………………… (3)

    其中,V1高度的风速, 为风速零的高度。假若距离地面 =1公尺处的风速为零,高度=100公尺处的风速为10 m/s,则高度 =1000 公尺处的风速为15 m/s,忽略空气密度的变化,1000公尺高空的风能功率约是100公尺高处风能功率的3.4倍。()更重要的是,接近地面的风速时大时小,这使得风力发电设备有时无法正常发电,闲置风力发电设备的时间因此常相当长,风力发电的不稳定性也成为实用的障碍和困扰;高空的风速也较稳定,例如:统计美国田纳西州奥克里奇上空1.6公里处五年间每日的平均风速,和同一地点其他高度处五年间每日的平均风速5,显见高度愈高,风速愈稳定,由数据曲线可知风车若设在1.6公里的高空,风车即24小时连续不断受到风速8-10 m/s的风吹拂,即可发出较稳定的电力,而可24小时不停发电。先进国家投入庞大的人力物力开发高空风能,有不少创新的构想6

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