全阻流式微风风力发电机——世界上唯一一种能够规避并超越贝茨极限的风力发电机。
其他答主介绍了各种各样的风力发电机,但这些风力发电机主要发展方向都是大型化。这些风力发电机的风能利用率都不能超过贝茨定律推导出的贝茨极限59.3%,他们的发展方向从来都不是提高风能利用率,而是通过增加风力发电机体积,来提高风力机功率。
但是,我们必须了解贝茨定律推导过程中忽略的大量重要参数,并且通过补全这些被贝茨定律推导过程中忽略的参数,来获得更加理想的风力发电机结构。
贝茨定律推导过程中忽略了叶轮(叶片)对气流的阻力,进而忽略了叶轮对气流流速的影响。
具体工作原理可看一下这篇文章:
基于文丘里效应可知,受限流动在通过缩小的过流断面时,流体出现流速增大的现象,其流速与过流断面成反比。
因此,如果风力发电机叶轮面积越大,则流经风力机范围内的气流流速就会越快。
如上图所示,风力遇到实度达到100%的风力发电机叶轮时,气流会从叶轮外沿绕行。
基于文丘里效应,气流的流速会大幅度提高(实际测试气流流速是外界流速的1.45倍)。
这些高速气流会带动叶轮高速旋转。
传统风力发电机为了追求叶尖速比,都尽可能降低风力机叶轮实度。
并且认定,叶片实度越高,气流会离开叶轮范围,反而降低了叶轮的风能利用率。
实际上,在早期实验中我就发现,阻力式风力发电机在微风环境下表现一直优于小三叶升力式风力发电机。
上述实验结果与现有风力发电机理论推导结果不符,因为高实度风力机叶轮通过理论推导,其风能利用率应当低于小三叶升力式风力发电机。
并且,阻力式风力发电机的输出功率与当前风速成正比。风速越快,输出功率越大。
例如下面视频中的风力发电机,风速5米每秒时输出功率1000W,风速10米每秒时输出功率2000W,其输出功率与当前风速成正比。
注:视频中风力机未安装发电机结构,当风力机安装负载以后,转速会大幅度降低,扭矩是传统小三叶升力式风力机的若干倍。这种风力机需要变速齿轮组对转速进行倍增。
风力机与风速的关系可以看下表:
通过表格可以看出,任何风力发电机的输出功率都应当与当然风速成正比。
后续,通过进一步改进阻力式风力发电机结构,我设计出了第二代全阻流式风力发电机
这种风力发电机的迎风面为一个内凹结构,侧面为出风口。
迎风面面积大,出风口面积小,叶轮结构可以视为一个入口大出口小的流管,气流流速会因为叶轮结构而进一步增加。
同时,因为气流从叶轮外沿绕行,所以叶轮半径等同于杠杆结构,进一步提高能量密度。
最终,这种风力发电机的特征为
通过变速齿轮箱,将低转速大扭矩输出变为
这种风力发电机并不适宜大型化,根据我的计算,直径4米的风力发电机是非常理想的设计。
理论上,一台叶轮直径4米的风力发电机,在风速5米每秒时(3级风),输出功率约为10000W(10千瓦),风速10米每秒(5级风)时,输出功率约为20000W(20千瓦),风速20米每秒(8级风)时,
全阻流风力机的本质上就是利用一个内凹结构形成一个流管,利用流管使气流流速增加,利用高速气流带动风力机叶轮旋转。
这种风力发电机非常适合农村家庭、海边住户、草原农牧民等家庭使用。
并且,这种风力机没有高频噪音,不会伤害鸟类,适合与人类共存。
其叶轮采用蒙皮,每年进行更换,其更换成本也非常廉价。完全可以满足大多数家庭使用。
蒙皮结构在极端天气时,会被强风撕裂,从而保护叶轮结构不被强风损毁。