北極星風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)訊:過(guò)度的二氧化碳排放造成了全球的氣候污染，迫使人們尋找新的更環(huán)保、更經(jīng)濟(jì)、更安全的新能源。電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)生就是一個(gè)例子。在發(fā)電方面，風(fēng)能發(fā)電無(wú)疑是一種很好的選擇。
但是，由于風(fēng)能發(fā)電本身的原因，在全球的發(fā)電量中風(fēng)能發(fā)電的占比不到10%，（中國(guó)比例更低），那么原因在哪里呢？瓶頸在哪里呢？ 概括起來(lái)，主要有以下兩個(gè)兩方面的原因。
第一 ，“天有不測(cè)風(fēng)云”，風(fēng)能本省具有隨機(jī)性和不可控制性特征。
由于風(fēng)能本身的隨機(jī)性，導(dǎo)致風(fēng)能發(fā)電機(jī)不能產(chǎn)生平穩(wěn)的電能，并導(dǎo)致并網(wǎng)使用困難。專業(yè)人士稱為“棄風(fēng)”現(xiàn)象，這個(gè)問(wèn)題到現(xiàn)在一直沒(méi)有得到根本的解決。
第二，在結(jié)構(gòu)方面，發(fā)能發(fā)電機(jī)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。
目前，主流的風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)多是“三葉片葉輪，水平軸，單機(jī)直驅(qū)?！边@種結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)場(chǎng)的自然條件要求很高，風(fēng)力利用率低風(fēng)場(chǎng)占地面積大，投資大。
用什么辦法解決這個(gè)影響風(fēng)力發(fā)電發(fā)展的瓶頸，是進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)力發(fā)電所要解決的當(dāng)務(wù)之急。
“儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換”是解決以上問(wèn)題的一個(gè)可行性方案。“儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換”的基本理念就是，把不可控不穩(wěn)定能量先儲(chǔ)存存起來(lái)，然后再做穩(wěn)定的能量輸出。如水力發(fā)電，把不穩(wěn)定的水流動(dòng)能通過(guò)大壩先儲(chǔ)存起來(lái)，在大壩的下方就能產(chǎn)生恒穩(wěn)的水流動(dòng)能，穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為電能。空氣流的動(dòng)能，也就是風(fēng)能，用風(fēng)力機(jī)推動(dòng)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓空氣也是不穩(wěn)定的。如果能把大量不穩(wěn)定的高壓空氣以一定的方式儲(chǔ)存起來(lái)，同樣可以生成穩(wěn)定的高壓空氣輸出。
用恒穩(wěn)的高壓空氣來(lái)推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，這樣可以發(fā)出穩(wěn)定的電流。在這方面，我們中國(guó)已經(jīng)領(lǐng)先了。例如，中國(guó)科學(xué)院工程物理研究所，于2018年底在西南某地做了一個(gè)相關(guān)試驗(yàn)。目前，這個(gè)工程至今運(yùn)行效果良好。但是該工程耗量巨大，工期較長(zhǎng)長(zhǎng)，很難靈活使用，對(duì)于中小型的電站，顯然是是不便使用的。
這里我們做了一種創(chuàng)新，適用于可以在不同的風(fēng)力，不同的地理環(huán)境，不同的規(guī)模下靈活使用的發(fā)電方式，就是，垂直軸空氣壓縮儲(chǔ)能式的空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。 其基本工作流程與原理陳述如下。
一，用多個(gè)的垂直軸的小風(fēng)力渦輪機(jī)，驅(qū)動(dòng)多個(gè)空氣壓縮機(jī)，產(chǎn)生高壓空氣。把高壓空氣匯集儲(chǔ)存起來(lái)以后，就可以生成穩(wěn)定可控高壓氣流輸，用穩(wěn)定的高壓氣流去驅(qū)動(dòng)空氣渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。這樣就可以做到既不受天氣的影響，又可以全天平穩(wěn)發(fā)電。實(shí)現(xiàn)全天候的發(fā)電?！皟?chǔ)能轉(zhuǎn)換”就是為了能量平穩(wěn)輸出平穩(wěn)發(fā)電。只有平穩(wěn)發(fā)電才并網(wǎng)使用。
有人會(huì)提出問(wèn)題，這種能量轉(zhuǎn)換必會(huì)產(chǎn)生能量損失怎么辦？
可以增大輸入風(fēng)能來(lái)抵償能量轉(zhuǎn)換時(shí)造成的能量損失，要知道風(fēng)能是免費(fèi)的，風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生的動(dòng)能，與風(fēng)力機(jī)的掠風(fēng)面積成正比，和風(fēng)速度三次方成正比。增大風(fēng)力機(jī)的掠風(fēng)的掠風(fēng)面積，提高風(fēng)力機(jī)進(jìn)口局部的風(fēng)速。就可以增大的輸入風(fēng)能。可以補(bǔ)償在能量轉(zhuǎn)換時(shí)的能量損失。那么怎么增大的掠風(fēng)面積，提高風(fēng)機(jī)進(jìn)口的風(fēng)速速度呢？我們可以增大風(fēng)機(jī)的招風(fēng)面積，也就是在垂直軸風(fēng)力機(jī)，風(fēng)機(jī)的兩側(cè)做兩個(gè)“擋板”，就好像大鷹的翅膀一樣把周?chē)娘L(fēng)集中到中間來(lái)（水平軸做不到）。在風(fēng)機(jī)入口處用引導(dǎo)技術(shù)（就好像水壓高壓龍頭）把入口風(fēng)速提高。這樣就可以提高風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生功率。補(bǔ)償在能量轉(zhuǎn)換時(shí)的能量損失。
另外發(fā)電的同時(shí)可全天“致冷，制水”加以附加利用，發(fā)電過(guò)后減壓的尾氣可循環(huán)使用減低能量損失。
二，為什么要用錘直軸呢？水平軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率是有極限的。最大不會(huì)超過(guò)59%（貝茨極限 Betzs lan）。但理論試驗(yàn)都證明垂直軸風(fēng)力利用率比水平軸風(fēng)力高。垂直軸風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用極限是可以突破貝茨極限的（有過(guò)72%的報(bào)道）。這是我們采用垂直軸的主要原因。
另外用了垂直軸的風(fēng)力機(jī)就好像把平房改成樓房，也就是把大量水平風(fēng)力發(fā)電機(jī)立起來(lái)摞起來(lái)既可以節(jié)省大量的寶貴土地，又可以擴(kuò)大使用條件（比如樓房頂，島嶼，軍艦）。
三，為了提高風(fēng)力動(dòng)能。在結(jié)構(gòu)上除了增加幾個(gè)水平軸風(fēng)力機(jī)無(wú)法做到集風(fēng)板以外，本系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)與主流風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)力機(jī)結(jié)構(gòu)不同。用渦輪代替了三葉片。也就是用渦輪機(jī)代替了螺旋槳葉片機(jī)。而且，風(fēng)動(dòng)力機(jī)推動(dòng)的不再是發(fā)電機(jī)而是空氣壓縮機(jī)。產(chǎn)生的不是電能，是空氣的壓力勢(shì)能（氣壓勢(shì)能）。
隨著大量的低壓壓縮空氣用儲(chǔ)能容器儲(chǔ)存的同時(shí)，容器中的氣壓勢(shì)能也就隨著增加了。到一定壓強(qiáng)時(shí)我們用這種高壓空氣去推動(dòng)空氣渦輪機(jī)，空氣渦輪機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)力矩來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。順便提一下，空氣渦輪動(dòng)力機(jī)是用渦扇渦輪來(lái)使空氣增壓增速的。現(xiàn)在已經(jīng)很成熟了。我們用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)推動(dòng)發(fā)電機(jī)，也是為了是提高能量的利用率的。
為了區(qū)別于主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，本系統(tǒng)可以名為空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。
它的結(jié)構(gòu)主要有三部分是：第一．垂直軸風(fēng)力驅(qū)動(dòng)單元。第二，空氣壓縮單元。第三儲(chǔ)壓發(fā)電單元。垂直風(fēng)力驅(qū)動(dòng)單元的垂直軸與空氣壓縮單元的軸相連接。驅(qū)動(dòng)所屬的空氣壓縮機(jī)將一般的空氣變成較高壓力的壓縮空氣?？諝鈨?chǔ)存單元與儲(chǔ)能發(fā)電單元連接。儲(chǔ)壓發(fā)電單元，包括壓縮空氣儲(chǔ)存容器以及空氣渦輪動(dòng)力機(jī)帶動(dòng)的發(fā)電機(jī)。儲(chǔ)能容器與空氣渦輪動(dòng)力力機(jī)相連，用高壓空氣經(jīng)過(guò)空氣渦輪機(jī)來(lái)推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。
它的工作流程是：使用經(jīng)集風(fēng)增壓后的大流量高速空氣，推動(dòng)垂直軸渦輪機(jī)發(fā)生動(dòng)力矩，推動(dòng)空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生壓縮空氣。大量的壓縮空氣在儲(chǔ)存容器中空氣儲(chǔ)存的同時(shí)也增加了空氣壓縮勢(shì)能。增量增能后的高壓空氣，通過(guò)空氣渦輪機(jī)產(chǎn)生高速扭力矩，推動(dòng)渦輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)電。由于，所輸出的高壓空氣是平穩(wěn)的可控的所以發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能也是平穩(wěn)可控的。
這種空氣動(dòng)力發(fā)電機(jī)，不單克服了風(fēng)力的隨機(jī)性和不可控制性，在微風(fēng)情況下也可發(fā)電。降低了對(duì)風(fēng)場(chǎng)條件的要求。只要有足夠的風(fēng)力儲(chǔ)存是有望實(shí)現(xiàn)24小時(shí)的全風(fēng)況下全天平穩(wěn)地發(fā)電。可貴的是，他使用的是再生能源，除了日常維護(hù)外，運(yùn)行費(fèi)幾乎為0。而且是環(huán)保的無(wú)二氧化碳排放污染的。
有人會(huì)產(chǎn)生這樣的問(wèn)題：這種空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，比起主流的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，多了一套空氣壓縮儲(chǔ)存系統(tǒng)。是不是會(huì)產(chǎn)生高的造價(jià)呢？我們的回答，是。但只是初期建設(shè)時(shí)的投資高。這種空氣動(dòng)力發(fā)電動(dòng)機(jī)，它的年發(fā)電量增加了。系統(tǒng)所增加的投資費(fèi)用，可以用他的年發(fā)電量得到補(bǔ)償。初步測(cè)算估計(jì)這種空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)，比現(xiàn)在的主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電量增加30%以上（不同的地區(qū)不同類型會(huì)不一樣）。也就是說(shuō)單位發(fā)電量的性能價(jià)格比會(huì)比主流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)要提高。因?yàn)樗鴮?duì)環(huán)境的要求也低了，占地面積小了投資也會(huì)減少。所以總體看還是“只贏不虧”的，
那么這種新型的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)是什么樣子呢？它就像一個(gè)立起來(lái)的大鷹。鷹頭部是用于小風(fēng)微風(fēng)時(shí)的發(fā)動(dòng)裝置。兩個(gè)翅膀是集風(fēng)板，把風(fēng)引到中間來(lái)。他的身體上部分是空氣動(dòng)力機(jī)，中間部分是壓縮機(jī)和空氣儲(chǔ)存容器.。為了減少發(fā)電時(shí)噪音他的底部才是空氣渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)還有控制機(jī)房。這里我們只提供一個(gè)說(shuō)明原理的簡(jiǎn)圖。
那么這空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展前途怎么樣？
這種空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)。利用的還是風(fēng)力，只是在風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)上的一種創(chuàng)新，保持風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)。又克服了風(fēng)力發(fā)電進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸困難，他有望實(shí)現(xiàn)全天候全風(fēng)況的發(fā)電。還降低了發(fā)電風(fēng)場(chǎng)要求，提高了系統(tǒng)的應(yīng)用適應(yīng)性。，從經(jīng)濟(jì)上考慮，由于空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行投入很少。會(huì)發(fā)電可制水致冷，有很高的性能價(jià)格比。會(huì)有很高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)，他必然具有很高的競(jìng)爭(zhēng)能力。
如果這種很有潛力的發(fā)電方式被廣泛的采用，風(fēng)力發(fā)電乃致整個(gè)發(fā)電事業(yè)會(huì)發(fā)生新的變化。首先，風(fēng)能發(fā)電的發(fā)電量在全球發(fā)電量所占的比分(電占比)將會(huì)提高。其次，全球由于發(fā)電而產(chǎn)生的二氧化碳排量將會(huì)減低。會(huì)發(fā)出更清潔更便宜的電。
風(fēng)力發(fā)電，一度是世界各各國(guó)政府所大力支持的項(xiàng)目一度發(fā)展也很快（我國(guó)在上世紀(jì)90年代，政府就有風(fēng)力發(fā)電價(jià)格補(bǔ)貼）。但是如前說(shuō)過(guò)的原因，風(fēng)力發(fā)電當(dāng)下是似乎有些“失寵” 。
在我國(guó)，煤電是我國(guó)的發(fā)電主力，煤炭和電形成的產(chǎn)業(yè)鏈有很高的壟斷地位和發(fā)言權(quán)，這種格局難以改變。
但是從世界范圍來(lái)看，風(fēng)力發(fā)電在發(fā)展中的國(guó)家，能源稀缺的國(guó)家，仍然還有很大的市場(chǎng)和發(fā)展?jié)摿?。在一帶一路的發(fā)展思路下，這種新型空氣動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)定會(huì)被更廣泛發(fā)的采用。
風(fēng)力發(fā)電的新紀(jì)元一定會(huì)到來(lái)！
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