介紹萬向風車

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介紹萬向風車（一）
風能是自然界中清潔的可再生能源，地球上可利用的風能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風能為2.53億kW，海上可利用的風能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風能是10m高度層的2倍。我國的風能資源非常豐富，新疆、內蒙、甘肅一帶風能最大，強度約200~300瓦/米2，平均4000~5000小時/年（參見《中國大百科全書》—風力機）。我國西部和東南沿海地區地域遼闊，如能大力發展風力發電，不僅可為經濟建設提供動力，而且還能保護環境，治理風沙，減少二氧化碳氣體排放，可謂一舉多得！
    風能,其實準確地說也是太陽能，是由太陽的熱量，地球的旋轉，地球表面的不規則而引起的空氣流動。風能具有許多優勢條件，所以它是世界上成長非常迅速的能源。
    風能是清潔能源，風能不像依靠燃燒化石燃料（例如，煤炭或者天然氣）的火電廠那樣污染空氣，風能不產生引起酸雨的物質，也不產生溫室氣體。
    利用風能的最大挑戰就是風力是斷斷續續的，不穩定的，不均勻的。風能不能儲存（除非用蓄電池），也不能根據電力的需求進行調整。
   
    幾個世紀以來，風力發電一直受到人們的關注。1890年，丹麥的一項風力發電機計畫，首次將風力機（也稱風車、風透平機、風輪）用於發電設想，到1918年丹麥已有120颱風力發電機。第一次世界大戰後，應用風力來發電曾出現高潮，丹麥、荷蘭應用最早也最廣。後來由於中東油田的發現，使風力發電事業的發展緩慢下來，直到20世紀70年代，由於能源短缺和環境污染，風力發電才又出現高潮。
要利用風力發電，就必須先把風能轉化為機械能，然後再用發電機把機械能轉換為電能。把風能轉化為機械能，就要利用風車，風車是風力發電過程中的關鍵設備。鑒於風車的種類繁多，因此分類方法也是多種。按葉片數量分為：單葉片，雙葉片，三葉片，四葉片和多葉片；按主軸與地面的相對位置分為：水準軸、垂直軸(立軸)；按槳葉工作原理分為：升力型、阻力型。目前大量使用的風力發電設備以三葉片水準軸升力型（一般稱螺旋槳風車）居多。
一、螺旋槳風車的缺欠
第一個風車出現在歐洲是水準軸結構。對於這種由波斯垂直軸設計而突然走進水準軸結構的進展原因已經不知道了。原因之一可能是水準軸結構的葉片掃風面積（葉片接觸風的面積）最大，事實上歐洲水輪也有水準軸結構。別的原因可能是水準結構的拖曳型比垂直結構的拖曳型效率高，由於遮罩的需要，垂直軸結構的拖曳型丟失了它們的轉軸收集面積的一半。
水準軸結構的風車葉片需要與其旋轉平面存在一定角度，這樣風車在風力的作用下才能旋轉，這就使葉片與空氣之間相對運動的軌跡成為螺旋線，所以，也稱螺旋槳風車。
螺旋槳風車從一開始出現就處在不斷的改進當中，歐洲風車的主要改進是它的設計者對於產生空氣動力學升力的成功運用。這一特點提供了轉子效率的重大改進，使效率比波斯風車更高，並讓轉子的轉速增加。完善風車槳葉，使效率增加的改進過程，已有500年。在完成這一過程期間，風車槳葉有了全部經過現代設計師驗證的顯著的特色，這對於現代風力透平機葉片的完成也是至關緊要的，包括1）拱形螺旋槳的前緣；2）在1/4弦長位置（由前緣到後緣的25%）放置帆桅；3）重心在1/4弦長位置；4）葉片由根部到頂端的非線性扭曲（Drees,1977）。……等。
但是，螺旋槳風車雖經不斷改進，卻仍然存在許多問題和缺欠，使風電成本居高不下，設備效率、安全、維修、運輸……都存在許多問題，使風電在與其他能源的競爭中處於不利地位，嚴重的影響著風電的發展。
二、垂直軸風車的不足
  我們知道，最古老的波斯風車是垂直軸風車，因為效率較低被水準軸風車擠出了風能發展的歷史舞臺。但，垂直軸風車對風向沒有要求，不管風向如何風車都能旋轉，這對於安裝在低空和農牧場的小型風力發電系統是非常重要的，這是水準軸風車所不具備的長處。
現代垂直軸風輪的發展是在法國由G.J.M. Darrieus於1920年開始的。關於達裏厄（Darrieus）型風輪的設計，最重要的是包含微薄的，彎曲的，螺旋槳斷面的葉片安裝在旋轉的垂直管子的頂部和底部（一般稱“O”型垂直軸風車）。基於這一概念的發展工作在當時並沒有開始，直到1960年由兩個加拿大研究員因不知他人已發明的情況下才又從新使用。
與螺旋槳風車一樣，達裏厄（Darrieus）風車從一開始出現就處在不斷的改進當中。後來人們把彎葉片改成了直葉片，從而出現了H型達裏厄（Darrieus）風車。
達裏厄（Darrieus）風車最要命的缺點就是不能自啟動。如果說螺旋槳升力型風車雖然啟動也不容易，但只要風力足夠大還是能夠啟動起來的；但達裏厄（Darrieus）風車如果沒有一定轉速，風再大也啟動不起來。這是由於風車升力的產生和升力的方向，需要葉片有一定旋轉速度再與風速合成可視風速後，才能產生旋轉力矩使風車旋轉。這個轉速怎樣產生呢？自然風力不能使風車產生這個轉速，那只有加外力了，例如：電力、燃油動力等。不難想像，如果風車一停，就需要加外力（電力或燃油動力）使其從新旋轉，這該多麼麻煩……。
另外，達裏厄（Darrieus）風車要想處於最佳工作狀態，需要風速、轉速、負載三者都處於最佳範圍，這是很窄的範圍。離開這個範圍，風車工作就不穩定，要麼停轉，要麼飛車……。毫無疑問，達裏厄風車也不是理想的，能夠使風能成為人類主要能源的風電設備。
三、萬向風車簡介
萬向風車是將風能轉換成機械能的能量轉換設備，由支架、轉軸、葉片等三部分組成。
萬向風車是根據流體力學原理和空氣動力學原理發明的新式風車，力求克服螺旋槳風車和達裏厄（Darrieus）風車的缺欠，開發出新型的，更高效，更安全，更經濟的風力發電設備，為保護環境，節能減排做出貢獻！
萬向風車的特點：
1、效率高
風車效率的差異是很大的，不僅不同種類的風車間存在著效率上的差異，（例如：升力型風車的效率高於阻力型風車；水準軸風車高於垂直軸風車……等，）而同一種類型的風車也存在著很大差異，例如，螺旋槳風車如果造得不好，葉片的非線性扭轉不正確，葉片選型不恰當，葉片製造精度達不到要求，葉片就不能產生升力，或者產生的升力很小，這就會使螺旋槳風車變成阻力型風車，效率也會很低。
  現代水準軸螺旋槳風力機的有效輸出功率：w  ＝0.155  ρ D2 v3  
    ρ－空氣密度，D－風輪直徑，v－風速
    也可以寫為w＝0.5cρA v 3  
    c－機械效率因素（通常0.1－0.5），ρ－空氣密度，A－葉片掃過的區域，v－風速
    由上式可以看出，風車的輸出功率與風速的三次方成正比，與葉片的掃風面積成正比，與空氣密度成正比。
萬向風車的輸出功率，與上式基本相同。但需要注意的是，在同等材料數量情況下，萬向風車的掃風面積小於螺旋槳風車的一半（由於背風面的葉片不與風接觸）。這就使萬向風車的功率輸出小於螺旋槳風車的一半，與達裏厄（Darrieus）風車相同。
需要指出的是，雖然從理論上說，萬向風車效率不如水準軸，但水準軸螺旋槳風車要達到最佳輸出狀態，需要風速、轉速、負載三者都處於最佳範圍，這是很窄的範圍。離開這個範圍，風車工作就不穩定，要麼停轉，要麼飛車……。再加上螺旋槳風車葉片需要非線性扭轉（即使用調漿的辦法，收效也不大），並且升力的大小和方向都受轉速影響，如果全面考慮到這些情況，萬向風車的輸出功率不會小於水準軸螺旋槳風車，特別是H型達裏厄（Darrieus）風車。
2、啟動力矩大
    要分析風車的啟動力矩，就要對風車在靜態時的受力狀況作受力分析。萬向風車的交叉葉片既有阻力作用又有升力作用，所以其啟動力矩與阻力型風車不相上下，而比以斜面迎風的螺旋槳式風車要大。因此，萬向風車在微風下即可轉動。這一特點使萬向風車的風能利用範圍更寬，如果匹配合適，萬向風車能做到只要有風就能發電。
    3、設計容易
專利法實施細則第二條指出，專利法所稱發明，是指對產品、方法或者其改進所提出的新的技術方案。因為是技術方案，所以在具體實施時，就必須進行設計。螺旋槳式風車設計複雜，需要選擇的參數雖然不多，但選擇的範圍小。例如：葉片橫截面的形狀、葉片非線性扭曲、葉片材料、尾舵大小……等等，都需要進行精心的計算和選擇，有的還需要試驗測定。這主要是因為螺旋槳式風車各個參數之間的聯繫過於密切，一個參數的改變會引起其他參數的改變，這就可能使性能的提高和降低相互抵消，難於得到最佳設計。而萬向風車需要選擇和設計的參數雖然不少，但選擇的範圍比較寬，特別是各參數之間相互關聯比較小，這就容易得出最佳設計。例如：如果利用調漿技術來改善風車效率，螺旋槳風車的葉片只有一個調漿自由度，而萬向風車可以有力臂、葉片仰角、葉片傾斜角等，三個自由度。
4、建造簡單
    萬向風車無論是葉片、支架、轉軸，還是基礎平臺，都不需要特殊的製造工藝和材料。螺旋槳式風力機葉片由於受力狀況不好，為了減輕重量並達到一定強度，都是用碳纖維增強樹脂製造出來的,製造過程複雜，程式繁多，要達到高質量的性能要求，必須有嚴格的條件控制。而且，保存、運輸過程也有極嚴格的規定和要求，稍有碰撞和損傷，將嚴重影響性能；萬向風車葉片用0．3~1mm的鍍鋅鐵板、鋁板、不銹鋼板、彩鋼、……等材料製造都可以，用金屬板製造，其工藝簡單，製造容易，運輸方便……。萬向風車可以很容易地向海上發展，利用海洋風能。
     5、結構緊湊
由於結構緊湊，給發展小型風力發電機解決偏遠地區農牧民用電問題創造了條件 ，使萬向風車可以放在狹小的只要有風的地方就可以,並且轉軸方向也可以任意放置，無所謂水準軸、垂直軸。多個萬向風車還可以串聯或者並聯使用，從而提高輸出功率，並使風車可以向高空發展。F型萬向風車還可以製造成風力飛行器，用動力使其升入高空，利用高空風能發電，再用電纜將發出的電輸回地面。
     （沒完待續）

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最好是有圖

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          介紹萬向風車（二）
        （續前頁）
          四、萬向風車的葉片
           風力機依靠葉輪汲取風能，葉輪直接決定風力機的重要性能指標——風能利用係數。葉輪性能的好壞則取決於葉輪上葉片的數量，外形設計以及葉輪結構。現代風輪葉片的平面形狀通常是接近矩形的直葉片，尖削度不大而展弦比比較大。這樣葉片的展向流動是次要的，葉片的氣動特性很大程度上取決於葉片的翼剖面形狀及其所處的相對位置，也即翼剖面的氣動特性是研究葉片性能的關鍵。研究繞翼剖面流動比較簡單，易於觀察、實驗、理論推導與分析，同時翼剖面氣動特性也是探討複雜情況的基礎。空氣動力學提供了對翼剖面作深入細緻研究的理論基礎，提供了豐富的翼剖面氣動性能試驗數據和理論計算方法，為風力機的氣動研究和氣動設計提供了依據。（參見linan《新型風力機的設計與開發技術》）       萬向風車採用如下圖所示的翼型，與NACA的帶彎度的機翼型基本相同。
        （見附圖1）    分析一下作用在翼型上的氣動力及其參數，我們知道，在僅有重力作用的二維低速流場中，氣體的壓力與速度存在下列關係—伯努利公式    Po  =  P+  ½ρV2      式中：P0為總壓，P為靜壓，½ρV2  為動壓。ρ為空氣密度，V為風速。伯努利公式指出：氣體的總能量P0保持定值，等於動壓能 ½ρV2  與靜壓能P之和。    在二維低速流場中，根據流體連續性原理，流場中流动介質保持連續不斷。上翼面突出使流場橫截面變小，空氣流速加大，即V>V∞ ， 這樣P < P∞， 上翼面靜壓值小於下翼面靜壓值，上下翼面壓差的合力形成了升力。（參見lina 《新型風力機的設計與開發技術》,）     需要指出的是，風車葉片產生的升力，不是用來使葉片上升的，而是用來推動葉片旋轉的，所以，萬向風車採用了兩個葉片交叉，這樣兩葉片產生的升力的合力就推動葉片繞轉軸旋轉。      兩葉片間的夾角α與葉片的攻角、風輪的截風面積有關，當夾角增大時，風輪截風面積增大，但葉片攻角變小，甚至成為負值，使升力變小；極限情況，兩葉片間的夾角α等於180度，風輪變成了直線葉片的阻力型風車。α約等於45~60度較好。    為減少交叉葉片逆風時的阻力，兩葉片相交時成圓錐狀較好。
        葉片可用鍍鋅鐵板（0.3_0.5毫米）、鋁板、不銹鋼板、樹脂板等做包皮，起整流罩作用，內部加加強筋製造。
        五、萬向風車利用升力引入正回饋提高效率
        萬向風車由葉片、支架、轉軸等三部分組成。單片葉片為長條形，其橫截面為流線型（有彎度的機翼型）。兩個單片葉片凹面相向的交叉在一起，形成兩兩交叉的組合葉片。
        由於萬向風車的單個葉片是有彎度的機翼，風車在啟動力矩的作用下就會產生旋轉。啟動轉矩使風車旋轉起來以後，風車葉片與周圍空氣的相對流速變大，根據空氣動力學原理，在每個單個葉片上都會產生升力，且隨著風車旋轉速度的增加，葉片與周圍空氣的相對流速也增加，升力也增加。而兩個交叉葉片產生升力的合力通過支架的杠杆作用就產生了使轉軸旋轉的轉矩。如果分析一下這個升力轉矩的方向，不難發現，是與啟動轉矩方向一致的，這就是說，升力產生的附加轉矩對轉軸的旋轉起到了推波助瀾的作用，從而引入了正回饋。
        萬向風車正回饋信號流程方框圖如下：
        （見附圖2）
        圖中β為正回饋係數，與葉片形狀、交叉角度、力臂大小、葉片攻角、掃風面積、葉片翼型……等有關。
        萬向風車引入正回饋提高效率，就好像再生式無線電收音機的再生線圈把經放大的無線電信號引回到輸入端再放大一樣，從而提高了收音機的效率。
        在萬向風車正回饋信號流程方框圖中，我們設：P1為萬向風車的輸入；P2為輸出；K為不加升力回饋時的放大倍數；β為正回饋係數，那麼，可以得出如下的等式：
        P2－βP2=（P1+ P2 β）K  …………（1）   
        （1－β） P2=K P1+ K P2 β  …………（2）     
        P2/ P1=K/1－（1＋K）β…………（3）
        其中P2/ P1即為風車的效率。
        由式3可以看到，風車效率與K、β均有關。K為不加升力回饋時的放大倍數；β為正回饋係數。K無論對於螺旋槳風車或萬向風車來說，最大都不會超過50%（水準軸風車在葉片傾斜45度時受力最大，此時葉片所受到的旋轉力為風力的50%），並且，K無論對於螺旋槳風車或萬向風車來說，都將隨風車轉速的增加而減少，直至轉速等於風速時接近於0。
毫無疑問，我們可以用數學方法描繪出風車效率與K、β之間的關係。
        為了簡單直觀的看一下風車效率與K、β之間的關係，我們假設K為0,1、0.3、0.5時，如果讓風車效率為100%，那麼，回饋係數β應為多少。計算結果如下：
K        0.1（風車轉速高）     0.3 （風車轉速中）   0.5（風車轉速低）
β        0.82                  0.55                 0.33
        以上結果說明，β很小的變化，就能使效率大幅提升。
                       六、萬向風車的發展 
        萬向風車的結構合理，優於螺旋槳風車和達裏厄（Darrieus）風車，並應用升力引入正回饋 提高效率 。對萬向風車的研究才剛剛開始，隨著研究和開發的深入，參考萬向風車的原理和結構（如抛磚引玉一樣），一定會出現更多的風車結構和樣式，開拓出廣闊的發展前景，并取得可觀的經濟效益和社會效益，造福地球，造福全人類！
        現向您介紹一項新的研究成果，——風力飛行器型萬向風車，簡稱F型萬向風車。
        將萬向風車拆成上下兩部分，每一部分都可以單獨使用。風車既可以安裝成垂直軸，也可以安裝成水準軸。做垂直軸使用時，與2型升力型萬向風車的性能、特點基本相同，啟動方便，不需要偏航調節……，但材料省了一半，是1型阻力型萬向風車效率的2~3倍。
        做水準軸使用時，與螺旋槳風車的性能、特點差不多。啟動需要一定轉速，需要偏航調節……，但掃風面積是垂直軸的兩倍多（相同材料用量情況下），效率是垂直軸升力型的2~3倍。
        F型萬向風車還可以做成風力飛行器，加裝動力使其升入高空，利用高空風能發電，再用電纜將發出的電力送回地面。到那時，人類利用清潔的可再生的風能作為主要能源的時代，就不遠了！！！
         
        參考資料
        illustrated  History of wind power development  by Darrell M.Dodge,Lttleton  Colorado （達雷爾）
        《中國大百科全書》—風力機
        《中國小型風力發電機的應用發展》舒傑 俞紅鷹 /文
        李慶宜 主編，北京機械工業出版社《風力機的理論與設計》1986.12
        國內外風力發電技術的現狀與發展趨勢  田德
        lina:《新型風力機的設計與開發技術》《小型風力發電系統的匹配》

2011-7-31第四次修改

（附圖1）

（附圖2）

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應該是這吧!

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        F型萬向風車
        向您介紹一項新的研究成果，——風力飛行器型萬向風車，簡稱F型萬向風車。
        將萬向風車拆成上下兩部分，每一部分都可以單獨使用。風車既可以安裝成垂直軸，也可以安裝成水準軸。做垂直軸使用時，與2型萬向風車的性能、特點基本相同，啟動方便，不需要偏航調節……，但材料省了一半，是1型萬向風車效率的2~3倍。
        做水準軸使用時，與螺旋槳風車的性能、特點差不多。啟動需要一定轉速，需要偏航調節……，但掃風面積是垂直軸的兩倍多（相同材料用量情況下），效率是垂直軸的2~3倍。
        F型萬向風車還可以做成風力飛行器，加裝動力使其升入高空，利用高空風能發電。到那時，人類利用清潔的可再生的風能作為主要能源的時代，就不遠了！！！
        看視頻請點擊下麵網址：
http://v.youku.com/v_show/id_XMjg3Mzg0OTI4.html

setlinso

成熟的發電裝置應該有人會接受.
高空飛行,有點怕怕~~呵呵
而且我覺得不大可行吧.譬如有風能將葉片吹轉動,那一定更能將整個結購一起吹飛吧!

bdlhz618

6# setlinso

因為風力飛行器要用電纜將所發電力送回地面，所以飛行器應該是有線控制，不會被吹跑的，電纜一直都拉著它的。

setlinso

6# setlinso

因為風力飛行器要用電纜將所發電力送回地面，所以飛行器應該是有線控制，不會被吹跑的，電纜一直都拉著它的。
bdlhz618 發表於 2011-8-4 22:20

哈~~我誤會了.我以為可以當成飛行的載具.

bdlhz618

8# setlinso
像風箏一樣，是有線拉著的。當然都是自動控制，風小了就加電，風大了就發電。

bdlhz618

想法和實際
        遇到客觀實際與我們的想法有差距的事情是很平常的事，在日常生活中我們也經常能遇到，不過，好在我們有豐富的生活經驗可供參考，所以遇到想法不符合實際時，修正的也快。可在創新實驗中，這情況就比日常生活中要複雜，這是因為我們面對的是從沒經驗過的新事物，根本沒有什麼經驗參考，就得全靠自己摸索著把它解決，往往要走很多彎路，需要很長時間，這絕對能讓那些經不起時間與崎嶇彎路考驗的人止步。
        昨天，在把F型萬向風車做大，做成與1型那個大風車一樣大的大模型，準備再到室外測試的過程中，我遇到了這樣一件事：小模型我已試驗得不知多少次了，翻來覆去的改變傾斜角度，改變葉片仰角，改變偏心距離等等，小風車轉得都很好，覺得大風車也一定會轉的不錯。參照小風車的樣子做好了大風車，做完後用電扇一試，把電扇開到最大檔，讓電扇離風車只有最短的距離，可風車仍然不轉，這讓我一時不知所措，丈二和尚摸不著頭腦了。
        這時，我想到是不是軸承的問題？因為我用的是原來做1型風車使用過的支架和軸、軸承，肯定裏面堆積了不少焦油和泥沙，阻力太大，怎麼能轉呢？我徹底清洗了軸承，並加了新買的鋰基脂黃油。覺得這回一定轉得飛快了，可裝好後，開電扇一試，照樣不轉。
        找問題就像醫生看病開處方，必須對症下藥，病情看准了，才會藥到病除。經過對各種情況的分析，我想，可能是剛買的黃油太粘稠，本來剛清洗過的軸承轉動起來很輕鬆，可加了黃油以後，轉起來不輕鬆了。我趕緊買來一些機油，加到軸承上，裝好風車，開啟電扇一試，照樣不轉。
        乾脆一不做二不休，買來新軸承換上，裝好風車，開啟電扇一試，照樣不轉。……
        這讓我想起了很早以前，一位校友跟我講的一個他親身經歷的故事。他說他曾經參加過石油化工的一次創新，大概是人造橡膠方面的。他說，那時領導對創新十分重視，人力物力財力都大力支持，基本上要什麼給什麼。人們就是通過國外的一些專利檔和稀少的資料，來試製人造橡膠。經過大量的試驗，按照專利檔上的說法，真的在試管中制出了人造橡膠，證明檔中所說的技術沒錯。可在中試時，問題出來了，製成的人造橡膠總是糊在釜裏，弄不出來。人們想盡了各種辦法，可它卻“說不出來，就不出來！”……。
        最後，還是購買了專利，人造橡膠才終於製造成功了。
        經過仔細研究，發現就是在中試時的一個程式要顛倒過來才行。人們說這是專利發明人留的一手核心技術……。
        受這個故事的啟發，我想到，是不是風車葉片的哪個位置不對？大風車與小風車並不是一碼事？我開始試驗調整風車葉片的位置、傾斜角、仰角、偏心度等等……。
        因為涉及到核心技術，且聽下回再說。