最佳风电模式是什么?

【专家解说】：世界能源告急，中国大规模限电!人类必须用风电完全取代火电、核电。要实现这个目标，风电必须突破三项关键技术:一是使风电能够长年持续稳定发电;二是使风轮发电机单机容量超过或达到汽轮发电机的水平;三是从技术上突破并网送电难的瓶颈。 要同时达到这三个指标，唯一途径是高空风电(尤其是平流层风电)，因为高空才有终年不息、持续稳定的强风，才能持续稳定地发电，才能完全被电网接纳，并且由于发电机构能够悬停于用电区域上空，因此可以不依靠大电网送电。 然而，要将重达上千吨的大型发电机带上高空，并且仅以风力为永久悬停和发电的唯一能源，轴式旋翼的直径没有数百米是做不到的，但是轴式旋翼如果直径扩展到数百米以上，其叶片和轴必然会被高空强风摧毁，因此，要想让风轮发电机取代汽轮发电机，就必须抛弃现有的轴式旋翼，用翼环式旋翼取而代之。 不抛弃轴式风轮，风轮发电机永远只能相当于汽轮发电机的一个小拇指!不抛弃轴式风轮，风电就永远不会取得价格优势，就永远不能取代火电、核电! 现有轴式风轮和旋翼有两大不可弥补的致命缺点: 由于翼片中真正能够将风力转化为旋转动力的翼段只是远离轴心的翼段(称为高效翼段)，而且离轴心越远转化效率越高，因此每个翼片从轴心往外的大部分翼段转化率不高，而且越靠近轴心的翼段转化率越低，直至为零，这一大截低效翼段实际上主要是充当高效翼段与轴心之间的连杆，但是这条连杆给高效翼段提供的支撑力非常有限，因为支撑点远在轴心而且只能提供单侧支撑，所以旋翼的翼片不可以很宽，直径不可以很大，转速也不可以很高，否则翼片会因支撑力不足而严重振动、摇晃直至折断。 由于仅靠一根轴连接整个风轮与整个发电机或整个旋翼与整个发动机，全部扭矩完全靠这根轴传递，整个机身的重量也完全由这根轴负担，因此，如果翼片和发动机真的足够强大，那么轴就必然会不堪重负而损毁。 以上两个弱点，决定轴式风轮和旋翼不可能有更大的直径、更宽的翼片和更高的转速，因此轴式风轮永无可能推动大型发电机，轴式旋翼永无可能带飞千吨级直升机(史上最大双旋翼直升机Mi12起飞重量仅为105吨，因过于笨重未投入实用)。 翼环是什么? 翼环是环状新式风轮和旋翼的统称。它是安装有多个翼片的圆环状支架，是一个“长”着许多翼片的环，也可以看成是许多固定翼飞机首尾相接围成的一个巨大的“飞机环”。翼环既可以当作风力发电机的风轮，也可以当作直升式飞行器的旋翼，当运用于高空风电机构时，它既是提供升力的旋翼，又是推动发电机的风轮。 翼环的四大优点: 全部翼片都是高效翼段，并且高翼段的总面积可以比相同半径的普通旋翼多出数倍甚至数百倍，这使翼环将风力转化为动力或将动力转化为升力的效率比相同半径的普通旋翼高出数倍甚至数百倍(半径越大，相差的倍数越大)。 每个翼片皆由圆环形支架支撑，也就是说每个翼片皆由整个翼环的所有其他翼片来给它支撑，并且每个翼片也都是翼环的一个支撑点，每个作为支撑点的翼片都分摊着整个翼环的压力。因此，只要相邻的翼片之间互不防碍对方切割空气产生升力，就可以尽可能多地增加翼片的数量和面积，并且翼片越多，相互间支撑的力臂越短，支撑得越稳固。如果将旋翼比作一座桥，那么翼环式旋翼就是一座环形钢架桥，每个翼片都是它的桥墩，桥墩越多，桥越牢固，因此这座桥可以造得很长，甚至可达十数千米(直径达数千米)，只要设置足够的“桥墩”(翼片)就行。相比之下，普通旋翼翼片仅依靠远在圆心的轴支撑，就如只有一个桥墩的悬板，轴是它唯一的桥墩，而每个翼片都尤如一头悬空的桥板，所以它不可能承担太大的压力，也不可能造得太长，否则就翼片和轴都会损毁。 地面翼环风电机构可以采用单翼环做为风轮，但高空翼环风电机构为了防止机构整体旋转，一般采用翼环组，一个翼环组具有两至三个翼环(相邻的翼环旋转方向相反以相互抵消扭矩)，每个翼环皆尤如一列超长的火车首尾相接形成的“列车环”，只是每节车箱都长了翅膀而已，这些长了翅膀的“列车环”彼此互为列车、互为轨道，即A翼环象列车一样沿着B翼环上贴附着的轨道运行(旋转)，B翼环也象列车一样沿着A翼环上贴附着的轨道运行(旋转)，即无论A翼环和B翼环是共用同一组滑轮车，还是各自拥有自己的滑轮车，总之两个翼环也是两条轨道，众多的滑轮车将两个翼环上贴附着的轨道相偶合，从而将两个翼环结合在一起，使两个翼环既不会分离、又不会相撞，既不防碍彼此向相反方向旋转，又能互相加固从而使各自强度都增加一倍。 普通旋翼只能由一根轴承担的全部负荷，翼环机构却分摊给数组、数十组甚至成百上千组滑轮车，相当于轴的数量增加了数倍、数十倍、数百倍，因而机械强度数倍甚至数百倍地提高。 (四)将原先由一根轴承担的负荷分摊给多组滑轮车的结构方式还降低了对材料的要求，也降低了制造难度，同时却提高了机械可靠性和运行寿命。 高空翼环风电机构的升力从哪里来?它是否安全? 翼环和普通风轮或旋翼一样，遇风必会旋转。旋翼式翼环的翼片与固定翼飞机的机翼有相同的横截面(上沿弧线比下沿线长)，当翼环旋转时，翼片快速切割空气，翼片上面的气流比下面的气流快，下面的气压比上面的气压大，因此产生上升力。旋转的翼环不但产生升力，而且推动发电机发电。 高空翼环风电机构是旋翼式翼环和发电机组合而成的一个飞行器，它最少具有一个翼环组，而一个翼环组由两至三个翼环组成，其中既有顺时针旋转的翼环，也有反时针旋转的翼环，两个方向的扭矩正好相互抵消，所以整个机构不会向任一方向发生整体旋转。 当发生故障或两个高空翼环风电机构之间的牵引缆或连杆、支架断裂，高空翼环风电机构当然会下坠，但下坠过程中翼环对于空气发生了相对运动，相当于被一股向上的风吹着，这股风必然驱使翼环式翼环旋转切割空气而产生基本上与重力相抵的升力，因此它会象降落伞般缓慢降落，而不会象石头般坠落。 翼环对拉风电机构为什么可以不用牵引缆而悬停、不耗燃料而自由巡航? 单个的高空翼环风电机构，必须有地面牵引缆拉着，跟风筝必须有线拉着的原理相同。由于它被拉着停在原来的位置，因此风就会驱动翼环旋转，使翼片切割空气产生升力，但它只能悬停而不能自由巡航。 但是翼环对拉风电机构具有两个或两组高空翼环风电机构，这两个或两组高空翼环风电机构并不处于同一高度，而是分别处于上下两个逆向的风层中，且其两者之间有缆绳、连杆或支架相连，互相对拉着，因此两者都被各自的风层驱动旋转产生升力并同时发电。因为电能充足，所以能不消耗燃料也可以自由巡航。 那么，高天之上有这种正好方向相反的逆向风层吗? 有!地球大气环流图表明:60°N-90°N，60°S-90°S极地东风带;30°N-60°N，30°S-60°S中纬西风带;0°-30°N东北信风带;0°-30°S东南信风带，这六个风带的上层皆为与之风向相反的风带。还有，位置更高的平流层底层盛行西风，而平流层西风之上盛行平流层东风。这几组逆向平流风都具有终年不息、风力稳定的特点，是老天爷送给人类的巨大能源宝库，它们分布广泛并且取之不尽用之不竭，而且就大规模开发而言，其难度和成本都会低于其他能源(包括核电、水电、太阳能发电和石油、煤碳能源)，因为高空风电既没有钻探、挖掘和运输的成本，也没有崩塌、冒水、毒害和燃爆的危险，更没有核电泄漏、水库崩坝的灭顶之灾，是一劳永逸的清洁能源! 但是这种逆向平流风能够托起大型的翼环对拉飞悬机吗?能!首先，平流层的风力达到55米/秒(约200公里/小时)，相当于16级强台风，足以掀翻汽车或将成年人抛到空中。而平流层之下，虽然高度越低风速越慢，但据香港天文台电脑预测天气图2012年1月31发布的数据，中国境界内200百帕斯卡(高度约12000米)大部份地区风速超过270公里/小时，500百帕斯卡(高度约5600米)的大部份地区风速超过72公里/小时左右，即使是850百帕斯卡(高度约1500米)的风速也在18公里/小时以上，而这个空速已经足够支撑老式固定翼飞机的起飞和巡航了(莱特兄弟发明的人类第一架真正的飞机首航的速度只有15公里/小时左右)。翼环实际上可以看作是一种由许多架固定翼飞机首尾相接围成的一个闭合环，因此，不管翼环的直径是数十数还是数千米，只要翼片数量足够多或翼片尺寸足够大，即使是1500米的中低空风力也已经足够维持翼环飞行机构的正常悬停或巡航了。 由8个直径仅百米的翼环式旋翼构成的小型翼环对拉风电机构为什么最大起飞重量可以达到数万吨而发电量可以超过一座大型核电站? 目前最大型运输机是前苏联研制的安-225型战略运输机，其机高18米，翼展88.4米，最大起飞重量640吨，也就是说一付安-225的翼片可以承载640吨起飞重量。而翼环式旋翼是相当于由很多架固定翼飞机首尾相接形成的一个“飞机环”。假设一个翼环直径1千米、周长3.1416千米，共安装70付安-225运输机的翼片，那么这个“飞机环”起飞重量是: 70付×640吨/付=4.48(万吨)。 而一个高空翼环风电机构最少具有两个翼环，因此，这个高空翼环风电机构的最大起飞重量(含飞行器自重)是8.96万吨。在这8.96万吨当中，假设机身(含翼片和环状支架等)重量2万吨、空气取水设备1万吨、其他设施0.5万吨、人员生活设施0.5万吨、人员重量0.46吨、空置安全重量1万吨，余下3.5万吨用于安装发电机组。3.5万吨大约相当于30多台重达千吨/台的百万千瓦级普通发电机组的重量，也就是说，这个高空翼环风电机构的装机容量超过3000万千瓦级，相当于几座大型核电站的发电容量!而一个翼环对拉风电机构一般会有四个(最少有两个)高空翼环风电机构，如果是四个翼环风电机构(即是说共有8个翼环式自旋翼)的翼环对拉风电机构，那么其最大起飞重量会在35.84万吨以上，其发电量四倍于单个高空翼环风电机构，超过1.2亿千瓦，接近二十座大型核电站的发电量!如果它的翼片更大些、更长些，或者翼环的数量更多些、半径更大些，那它的起飞重量和发电量都会更大。如果采用翼环式转子发电机，其发电量还会再提升一倍。 如果一个翼环直径仅百米的小型翼环对拉风电机构，同样是四个翼环风电机构(即是说共有8个翼环式自旋翼)，不过翼片按比例缩小到安-225翼片的十分之一，那么它的最大起飞重量是3.58万吨，它的发电容量超过1200万千瓦，接近两座大型核电站! 这里为方便计算套用了安-225型运输机机翼，如果真的采用这种大型运输机的翼片，仅由风驱动的翼片能达600公里/小时至700公里/小时(大型运输机必须的起飞速度)吗?会不会因达不到此速度而坠落呢? 不会。翼环实际上还是一种风车，在高空强风驱动下其旋转速度和普通旋翼或风车一样，如果不受到空气阻力和人为控制，其速度可能会在100转/秒左右，即使将空气阻力考虑在内，其速度也应在每秒数十转，因为小孩子玩的风车在普通地面风力下就能达到1转/秒至10转/秒以上。而一个小旋翼不管按尺寸放大多少倍，在相同的风中，每秒钟的转速是不会变的，因此，只要直径为1000米的大型翼环转速达到0.1转/秒，或直径100米的小型翼环，转速达到1转/秒，其翼片的线速度就能高达1130.98公里/小时，而这个速度将近是大型运输机所需起飞速度的两倍! 因此完全不必耽心翼环会不会转速不够，相反，还必须强制性地降低其转速至理论转速的10%至1%，否则翼环高速的、大直径的圆周运动所产生离心力，足以将翼环自身彻底支解。降低翼环转速的最好方案是加大发电机的负荷，用发电机的动力轮给翼环刹车，而这种刹车方法会带来三个好处:一是使翼环的滑轮车避免超高速运行，从而使用普通钢材适于制造滑轮车;二是降低翼环的离心力，从而确保翼环不会在运行中解体;三是增加了发电容量。 为什么与相同尺寸普通轴式发电机相比，采用翼环式转子的发电机发电容量可以高一倍? 目前的发电机只能由中轴带动内层铁芯和绕组(内转子)旋转，或只能由外轴带动外层铁芯和绕组(外转子)旋转，而不能让内、外铁芯绕组互为转子同时相向逆转。现有高转速发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗，转子直径一般做得比较小，长度比较大，即采用细长的转子，特别是在3000转/分以上的大容量高速机组，由于材料强度的关系，转子直径受到严格的限制，一般不能超过 1.2米。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的6倍以上时，运行中可能发生较大的振动，直至发生断轴事故。所以大型高速发电机转子的尺寸受到严格的限制。正是由于这个原因，在增大发电机体形方面存在着技术极限，要开发更大容量的机型困难极大，目前的技术措施主要是增加电磁负荷、加强散热降温等，很难取得飞跃性进展。 由于翼环组具有相邻的翼环相向逆转的特点，因此可以直接将翼环的环状支架当作转子的支架设置铁芯和绕组从而使整个翼环成为一个大转子，并让两到三个这样的翼环配对成为一个巨大的发电机，其中每两个相邻的翼环互为转子逆向旋转而发电。由于翼环的直径很大，所以用较低的角速度就可以达到极高的线速度，因此，虽然线速度和飞机的速度一样快，但翼环式转子的每一段都会比一辆拐大弯的高速列车更平稳，不会发生普通转子直径过大时的危险，也就是说，翼环式发电机的转子直径可以超过千米，转子长度(也就是翼环组的轴向尺寸)可以达到数十米以上。不仅如此，由于相邻的翼环互为转子逆向旋转，因此每个翼环式转子的速度虽然不变，但它们彼此的相对速度都提高了一倍，因此，一台轴式转子发电机即使其转子能够具有大型翼环式转子的尺寸和转速，其发电容量还是会比翼环式转子发电机的发电量低一倍。 即使动力性能最好的直升机也很少能飞越2万米高空，高空翼环风电机构这个庞然大物为什么能轻易飞升至2万米平流层? 之所以少有直升机能够飞越2万米高空，原因有四:一、旋翼高效翼段的面积太小，在现有发动机转速下无法提供更大的升力;二、整个旋翼与机身之间仅靠一根轴连接传递动力，发动机再强大也没有意义，因为轴无法承受过大的扭矩和过高速的磨擦;三、即使轴能够承受更高的扭矩和磨擦，翼片也会因为不能承受过大的风压而折断;四、起飞重量小，致使携带的燃油不足，而飞得越高，空气越稀薄，氧气越少，发动机单位油耗越大、动力性能越差。 而翼环可以承受的扭矩和转速比普通旋翼高数倍乃至数十倍、数百倍，因此能提供高数倍乃至数百位的升力;高空翼环风电机构在起飞阶段通过电缆输送电能，不存在能源不足的问题;电动机的效率天生就比内燃机高。因此翼环风电机构飞得比直升机更高。飞上风力足够大的高空之后，就可以切断地面电源，转而向下供电，当然也可以收起电缆作自由巡航。 翼环机构在运输、通讯、科研、国防等领域也将迅速得到广泛应用 由于发电量和运载量巨大，还可以通过空气取水技术得到充足的水源，因此平时它是发电站，是运输工具，是科研、探测、通讯平台，灾时它是抢险救灾机器和灾民避难所，而战时它就是威震敌胆的空中航母! 翼环对拉风电机构通过电缆与下方的船舶、车辆或飞机连接，可形成全新的风、电双动力交通工具。它可以在任何偏僻地段建立电动车船充电站，使全球超过90%以上的车船从此告别石油! 翼环风电机构虽形体惊人，但结构简单且各部位受力均衡，对精密度和材料的要求较低，制造难度较小，单位成本较低，因此翼环机构将迅速得到广泛应用。 怎样放飞翼环对拉风电机构? 放飞大型、超大型翼环风电对拉机构时并不需要另建专用电厂，可以先用现有电网的小部份电能放飞数只小型的单个的高空翼环风电机构，然后集数只小型高空翼环风电机构发出的电能放飞中型高空翼环风电机构，集数只中型机发出的电能飞大型高空翼环风电机构，集数只大型高空翼环风电机构的电能即可放飞大型、超大型对翼环拉翼环风电机构。 *本文所述“翼环”、“翼环组”、“高空翼环风电机构”和“翼环对拉风电机构”等技术细节，可登录各大专利检索网站查阅，相关申请号:2011100729802、2011200778503、2011102796483、2011203528410、2011103055977、2011203835495其中2011200778503中的9项新发明已经获得专利授权。