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从“中国制造”到“中国创造”风电业的进化

导读: 借鉴昆虫和鸟类能够在空中飞行的仿生科学原理,JT智能大功率风车是垂直轴型风车,由多只智能叶片组成,风车会借助风力自动改变做功与不做功时叶片截面积。

        中国改革开放的总设计师邓小平指出:科学技术是第一生产力。

  近年来中国风电正在面临由快速发展向健康发展转变的重要时期,要实现由风电大国到风电强国的转变,必须转变发展方式,自主创新发展中国自己拥有的知识产权的新一代效率更高风力发电机,由“中国制造”转变为“中国创造”,拥有中国自主知识产权风机,才能真正立足于世界风能发展技术领域前列。

  科学家研究发现,昆虫和鸟类能够在空中飞行,是因为它们的翅膀奇特的性能,始终推动气流向下流动,当它们的翅膀从做功到重新做功过程瞬间,在垂直方向能够尽量将翅膀缩小面积,以减小阻力有效做功,实现自由飞行。

  借鉴昆虫和鸟类能够在空中飞行的仿生科学原理,JT智能大功率风车是垂直轴型风车,由多只智能叶片组成,风车会借助风力自动改变做功与不做功时叶片截面积。风车叶片底面是活动的,当迎风做功时,叶片会自动紧贴边缘底框架,使做功截面面积最大化,实现最大出力;当逆风不做功时,活动的底面可以翻动接近90度,叶片会在风力作用下将原迎风面积缩小成线状,允许气流通过。JT智能大功率风车通过减小不做功叶片迎风面积的技术原理获得做功力矩,大幅度提高了风能利用效率。使风能利用效率高于当前广泛运用的水平轴风车的风能利用效率。

  根据“风能功率的大小与风速的立方成正比,也与流动空气的密度和垂直流过面积成正比”的公式定律,用坐标方格法证明(附图)

  中国JT实用新型“智能大功率风车”示意图

 

  用坐标方格法计算:

  示意图:设定每格长度5mm,每格面积25 mm2

 

  单位时间内垂直流过截面F的空气,拥有的做功的能力称为风能的功率(W):

  W=1/2pFv3

  其中:空气密度为p、速度为v、截面积为F,

  风能E=1/2pFtv3

  表示在时间t内流过截面F的风能。

  风能功率的大小与风速的立方成正比,也与流动空气的密度和垂直流过面积成正比。

  用坐标方格法 对比计算:

  (一)、设圆的 直径 R=100mm

  ∴ 半径 r = 50mm

  圆面积S=Л r2

  =3.14×502

  =3.14×2500

  =7850mm2

  (二)、设 JT智能大功率垂直轴风车与水平轴风车的:

  1、 扫风面积相同,

  2、 风车直径相同,

  JT智能大功率垂直轴风车面积 S=7850mm2;

  设 JT智能大功率垂直轴风车 叶片 长=100mm;

  JT智能大功率垂直轴风叶片 高=7850mm2 ÷100mm=78.5mm;

  (三)、设定:

  工作时JT智能大功率垂直轴风车只有右半侧叶片面做功,

  1、叶片右半侧做功面积 S1右=7850mm2 ÷2=3925 mm2;

  2、设叶片左半侧,活动叶片上翻动90°时,左半侧框架面积(阻力)为叶片左半侧面积的15%,

  左框架(阻力)面积S2=3925 mm2×15%=589 mm2;

  3、叶片右半侧(中心旋转空间——中檔)非做功面积 S3 ;

  设:宽=8mm

  高=78.5mm

  叶片右半侧非做功面积 S3=8mm × 78.5mm = 628 mm2;

  4、叶片右半侧做功面积S(有效)=3925 mm2-589 mm2-628 mm2

  =2708 mm2;

  (四)、设定:

  水平轴风车的3只叶片,每只叶片 :

  长=50mm ;

  宽=6mm (宽实际《6mm) ;

  ∴ 水平轴风车1只叶片做功面积=长 × 宽

  =50mm × 6mm

  =300 mm2

  3只叶片做功面积

  =3×300 mm2

  =900 mm2;

 

  (五)、JT智能大功率垂直轴风车叶片(有效)做功截面积 》 水平轴风车的3只叶片做功截面积 :

  (三)2708 mm2 》(四)900 mm2 ;

  结论:当 JT智能大功率垂直轴风车与水平轴风车的:

  1、扫风面积相同 (风车直径相同——便于比较):

  JT智能大功率风车的做功截面积 》 水平轴风车的风做功截面积。

  2、在相同的凤速、空气密度、流量条件下进行比较:

  JT智能大功率垂直轴风车的风能利用效率大于水平轴风车的风能利用效率。

  “贝茨理论提供了获取风能的有效途径,即提高风速,加大叶片扫掠面积。”《风力发电》化学工业出版社 68页。

  JT智能大功率风车的发明原理对贝茨理论进行了补充:提高叶片做功有效截面积和叶片风能利用效率将是获取风能的最重要、最有效途径。

  国家发展和改革委员会中国经贸导刊杂志社两次将实用新型垂直轴型ZL 2008 2 0139674.X “智能大功率风车”选入:

  《国家重点高新技术项目汇编》——2011年8月18日出版。

  《重点高新技术项目汇编》——2012年2月10日出版。

  CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆是JT智能大功率垂直轴风车的第二代,已同时申请实用新型和发明专利。

 

  CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆,对传统垂直轴风车的工作原理和结构进行全新改革,克服现有的垂直轴风车叶片不产生力矩,效率低,过速时的速度控制困难,以及当前广泛运用的水平轴风车风能利用效率低下的问题。CNJT新的技术方案:由多只可复合运动智能叶片组成,通过减小不做功叶片面积的技术方案获得做功力矩,大幅度提高了风能利用效率。在风暴来临时,运用减少风车做功活动叶片的工作面积的原理,卸掉两侧叶片风载荷,确保风车风帆安全。

  创新点: CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆适合陆地、岛屿、海上风能运用、风力发电,以及江河、湖泊、海洋船舶风帆航行动力或船舶、海洋平台发电。通过智能叶片调速或停机,确保风车风帆安全。

  经济效益:根据《关于“智能大功率风车”项目可行性研究报告》,CNJT大功率垂直轴风车由于叶片结构不需要价格高昂的碳纤维增强复合材料或玻璃纤维增强复合材料构成,同时机舱、发电机等设备都安装在地面,因此可以优化主塔结构,减轻主塔重量,方便和降低维护费用。根据测算: 每台1.5MW价格可以比市场价格综合降低成本20%~30%。按照《中国风电发展路线图2050》预测,到2050年,我国风电装机将达到10亿千瓦,国内风电开发投资将达12万亿元;如果1.5MW以上风机开发投资占75%投资费用,并大量采用CNJT风车降低20%~30%的投资成本,将可以为国家节省风电开发投资达1.8~2.7万亿元。

  综上所述CNJT可调速安全智能大功率垂直轴风车风帆不仅将是世界上风能利用效率领先,而且是可调速运行最安全的风车风帆,同时也是运营经济效益最高的风车风帆。

  全国人大常委会委员、中国社科院副院长李慎明说:“创新的主体,首先是国家,只有国家才可以有财力、物力、人力集中起来办大事。如果能够拿出‘两弹一星’的精神,在新能源上实现突破,不但能大大缓解未来发展中能源约束的压力,更将一举占领决定国家命运的新一轮科技革命‘制高点’。”

        ——本文作者:焦兆平

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