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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。

    绳柱风车系统

    绳柱风车系统由原型机(见图一)改良发展出来,主要由(一)风筝和(二)空中风力发电机构成。乘着强风腾空的风筝(或其他飞行器)以连接地面的拉索系留;由拉索吊挂在高空风场中的空中风力发电机,主要的组件则包括迎风稳定平衡机构、风车、无刷式发电机、电力传输装置与负载   

    1:最原始的绳柱风车

    一、风筝(或其他以拉索牵引的飞行器)

    风筝的功能在于将空中风力发电机吊挂至高空。虽然在国外也有科学家,利用气球将其他阻力型的风力发电机吊挂至高空,但气球的浮力大小,不会因为风力变大而变大,但气球所受的风阻力却会因风力变大而变大,所以风力变大时,以连接地面的拉索系留空中的气球,会因强风吹拂,高度反而变小,并不利于利用高空强劲且稳定的风力。风筝(或其他飞行器)是利用扬力(升力)而滞留高空,风筝所受的扬力通常远大于阻力,但扬力(升力)和阻力并有一定的比例,亦即风速增加时,扬力和阻力同时增加,因此风速增加时风筝拉索与地面所夹的角度不会变小,风筝能保持一定的高度,而能有效将空中发电机吊挂在高空强劲风场之中,撷取风能。

    二、空中风力发电机

    (一)迎风稳定平衡机构

    迎风稳定平衡机构的姿势和方向由拉索拉力、重力和风力共同决定。为了使空中风力发电机以最高的效率发电,本创作巧妙利用拉力、重力和风力,使空中风力发电机在高空风场中稳定平衡,同时迎风发电。

    图二为空中风力发电机的机型之一。因为空中风力发电机所受的外力中拉索的拉力最大,所以拉索拉住的拉力转轴可视为固定转轴,拉索和拉力转轴均必然倾向下风方向,亦即拉索和拉力转轴指向风的去向,并与地面夹某个小于90°的角度,此角度会因风力大小和风筝飞行的状态而改变。两具风车旋桨和发电机经由可动支架结合成一体,可动支架加装一力矩臂,力矩臂另一端装设有水平迎风尾翼及方向舵,可动支架穿过拉力转轴,可动支架在拉力转轴中可以转动,亦即拉力转轴兴地面的夹角改变时,风车与水平迎风尾翼及方向舵仍可调整其与地面的夹角。

     

     2:改良的绳柱风车结构图:拉力转轴 (图中向右上方倾斜)的上端指向风的去向,与地面夹角会因风筝飞行的状态而改变。两具旋桨和发电机经由可动支架结合成一体,可动支架加装一力矩臂,力矩臂另一端装设水平迎风尾翼及方向舵,可动支架在拉力转轴中可以转动,拉力转轴与地面的夹角改变时,水平迎风尾翼及方向舵仍可调整可动支架与地面的夹角,使旋桨迎风。

    拉索和拉力转轴与地面夹小于90°的角度,整个水平迎风尾翼、方向舵因为重力作用下垂,仔细调整重心的位置,重力经由力矩臂产生的力矩,使风车对准风向准备迎风。但重力仅产生的微弱的力矩使水平迎风尾翼、方向舵下垂(风车即对着风向,但风车转轴仍未水平)。水平迎风尾翼受风后,因风造成的力矩经力矩臂使风车转轴转向水平方向,方向舵因风产生的力矩,则更加使风车稳定在迎风方向。亦即利用风力和重力产生的力矩共同稳定风车的方向,因此风力发电机能稳定迎风发电。

    (二)风车

    扬力型水平轴式风车之旋桨采用FX 72-MS-150B 翼形剖面9,从近转轴部到翼尖旋桨的安装角逐渐变小,使风车转动时气流对旋桨各部分的攻角合理,尽可能从风中撷取动能。风车的材质采用质轻又容易加工的白杨木(或桐木),以美工刀、一般木工工具和砂纸制作。

    (三)无刷发电机

    自制的无刷式发电机由铷铁硼超强磁铁和感应线圈构成。直径约0.5 mm的漆包线先缠在尺寸适当的圆棒形物体上,缠完一层约15匝,再在外层黏上一层双面胶,在双面胶之上再缠另一层约15匝漆包线,如此重复缠20层,总共大约有225300匝漆包线。两块直径23 mm,厚5 mm的圆饼形铷铁硼超强磁铁,互相吸引并夹住直径1.9 mm的钢棒,作为转子,钢棒以支架上的轴承固定,作为转轴,使铷铁硼超强磁铁得以在感应线圈中旋转,转轴与风车旋桨牢牢结合,由风车旋桨驱动铷铁硼超强磁铁在感应线圈中快速旋转,造成感应线圈中的通量改变而发电(见图三)

     3:迎风稳定平衡机构、风车、无刷发电机的实物摄影。

    (四)电力传输与负载

    无刷发电机发出的电力,可以简短线路直接驱动安装在空中风力发电机上的LED;在风速较大的风场中同时动用空中风力发电机上的两具发电机发电,发出的电力则先经桥式整流,经电容稳压,再并联供电。空中风力发电机可发出15V以上的电压,输出功率足可点亮多颗LED(见图四) 

     4:实验室测试时点亮多颗LED。

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