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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。
     

    绳柱风车的实用性

    一、优点

    1. 绳柱风车系统在高空较稳定的风场中可终年不断发电,发电设备利用率较佳,合乎成本,而一般在地面风场中的风力发电机组只有19-35 的发电利用率;空中风力发电机发出的稳定电力更接近一般商业运转的电力。

    2.高空较大的风速有利于设计尺寸较小的风车,使用风力发电功率更大,更具实用性。

    3. 绳柱风车无需竖立塔柱,因此设置的地点有极大弹性(可以配合任何风场、或风力大的地点设置),绳柱风车系统可架设在深海地区、偏远山区、离岛地区或其他风速大,但无法架设塔柱的地区,这点大大扩大了风力发电的应用范围。许多风力资源丰富的地区,常因无法架设塔柱,而无法开发风力资源,但应用绳柱风车系统即可取得这些丰富的洁净能源,供应沿海地区、偏远山区、深海地区、离岛地区以及其他区域的电力,其优势无可取代。

    4.(a)绳柱风车系统利用风筝拉升,风速大时反而可以飞的更高,Magenn公司利用气球浮力,风大时反而会因此倾斜,高度降低,所以只适用于微风。(b)绳柱风车系统利用扬力型风车发电,可在较强的风中以较高的效率发电;Magenn利用阻力型风车发电,效率较低

    5.因省去塔柱和追随风向装置的安全考虑和所需的经费,整具风力发电系统造价较一般地面风力发电机低。

    6.因不须安装塔柱,不会破坏地表和衍生破坏生态的问题。

    7.绳柱风车所发出的电力,也可直接提供应安装在风筝上的大地摄影机和电讯中继站所需的电力。

    二 、实际测试

    实际测试(见图五)显示:(一)地面风速约4.8 m/s时,风筝拉索之仰角约在35°45°之间,随拉索长度增加而仰角增大;地面风速约5.1 m/s时,风筝拉索之仰角约在35°60°之间,随拉索长度增加而仰角增大,亦即风筝的高度愈高,受风的风速愈大,拉索仰角反而增大。(二)地面风速4.8 m/s,风筝高度约100 m左右,输出电压15-18V;地面风速6.2 m/s,风筝高度约85 m左右,输出电压20-24 V,输出功率均足以点亮上百颗LED

     

    5:绳柱风车系统在高空稳定发电发展

    三、未来发展

    绳柱风车不仅可作为学生专题题目,商业运转的潜力无穷,挹注更大资源,其未来可能的改进如下:

    1以合乎航空力学的巨型飞行翼代替风筝,巨型飞行翼并加装襟翼或方向舵等有利于飞行翼稳定滞留空中的飞航装置,以计算机控制拉索之张力以及飞行翼上的飞航装置,使飞行翼稳定在高空滞留,提供拉升风力发电设备的必要拉力;或结合空气之浮力,在巨型飞行翼内充氦气,使巨型飞行翼更稳定滞空,提供必要的拉力。

    2可以串接多个风筝(飞行翼),使风筝在高空中受风力而产生的拉力增加,并提高拉力的稳定性,以便悬挂更大型的风车、发电机和输电器材。

    3一具设计精良的大型风筝(飞行翼),在特别稳定的空域,也可以同时拉升多个风力发电系统,以获得更大功率的电力。

    4风筝(飞行翼)材质可以结合太阳能电池,在高空撷取太阳能,太阳能搭配风能提供更稳定的电力。

    5同一区域可设置多组绳柱风车发电系统,藉由风力田(wind farm)的方式提供电力。

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