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用風(fēng)箏發(fā)電的可行性
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作者:李慶星
一·摘要
       在東經(jīng)100~130度附近,北緯度30~50度之間的10千米高空,大風(fēng)不停,風(fēng)能密度可達(dá)到地表面的100倍,風(fēng)向、風(fēng)速穩(wěn)定,最小時的風(fēng)速大于15米/秒,不必?fù)?dān)心風(fēng)箏在無風(fēng)會掉下來,適合風(fēng)力發(fā)電。至于風(fēng)箏占用了飛機(jī)航線高度。通過雷達(dá),調(diào)整風(fēng)箏高度或位置解決。國家類似煉油廠、核發(fā)電廠上空劃出禁飛區(qū)來解決。通過“計算”用風(fēng)箏發(fā)電,每度電成本在0.15元以下。
風(fēng)箏發(fā)電的原理很簡單:當(dāng)風(fēng)箏表面垂直于氣流時,風(fēng)箏的拉力最大,用風(fēng)箏拖動地面上的卷揚(yáng)機(jī)做功發(fā)電。當(dāng)繩索用完風(fēng)箏要返回時,由外部提供能量。當(dāng)風(fēng)箏表面平行于氣流時風(fēng)箏的拉力最小,卷揚(yáng)機(jī)倒轉(zhuǎn)拉回風(fēng)箏,風(fēng)箏間斷做功發(fā)電。
 
二·概述
   用兩個滑翔傘形狀的風(fēng)箏解決單個風(fēng)箏間斷發(fā)電,風(fēng)箏自己升高到十千米,拉動地面上的卷揚(yáng)機(jī)發(fā)電。風(fēng)箏上安裝7種傳感器(GPS、濕度、溫度、大氣壓、風(fēng)速、電子指南針、陀螺儀)微型風(fēng)力發(fā)電機(jī)及數(shù)傳電臺,地面上設(shè)置無線電接收機(jī),通過計算機(jī)控制(操縱裝置)風(fēng)箏的迎風(fēng)角度、姿態(tài)、高度和位置,當(dāng)風(fēng)箏表面垂直于氣流,風(fēng)箏因風(fēng)阻力產(chǎn)生最大拉力,風(fēng)箏通過繩索拉動風(fēng)箏操縱裝置,通過變速箱、拖動發(fā)電機(jī)發(fā)電。當(dāng)繩索放完逆程返回期間,風(fēng)箏操縱裝置改變風(fēng)箏迎風(fēng)面角度,使風(fēng)箏平面近乎平行于氣流方向,使其減小阻力。其特點是;單個風(fēng)箏發(fā)電機(jī)是間斷輸出電力,逆程返回期間要靠外部能量恢復(fù),在工作與逆程返回時交替改變風(fēng)箏的迎風(fēng)夾角,能夠產(chǎn)生最大的牽引力和最大升力使風(fēng)箏爬升的目的。兩只風(fēng)箏輪流做功,當(dāng)其中一個風(fēng)箏正程做功時另一個風(fēng)箏是逆程返回。風(fēng)箏操縱裝置還有一個重要的作用,是能控制風(fēng)箏的拉力,調(diào)整輸出的能量。當(dāng)風(fēng)速過大時,減小風(fēng)箏迎風(fēng)角度(面積),或調(diào)整風(fēng)箏高度,避免損壞風(fēng)箏和發(fā)電機(jī)。
三·試驗方法(說明:10千米高空最大風(fēng)速常常有200米/秒)
(當(dāng)阻力系數(shù)為1.0 風(fēng)箏面積100平方米)設(shè)計輸出功率22千瓦
名    稱
最 小 值
典 型 值
最 大 值
設(shè)計風(fēng)速 (米/秒)
15
30
60
設(shè)計風(fēng)箏高度(千米)
16 
設(shè)計風(fēng)箏運(yùn)動速度(米/秒)
5
10
20
超高分子量聚乙烯繩索(截面積)
1.8平方毫米
2平方毫米
2.2平方毫米
超高分子量聚乙烯繩索(抗拉,千克)
600(千克)
750(千克)
1400(千克)
繩索總長度(千米)
58
60
68
繩索總重量(千克)
58
60
76
風(fēng)箏工作面積(平方米)
5
80
100
風(fēng)箏重量(千克)
18
20
24
繩索工做角度(度)
10
30
60
風(fēng)箏工作角度(相對地面)
5(度)
53
115
風(fēng)箏升 / 阻比
1
2
5
風(fēng)箏升力(千克)
210
1200
15000
風(fēng)箏正程阻力(千克)
10
600
3000
風(fēng)箏正程功率(千克米·秒)
50
6000
60000
風(fēng)箏功率(千瓦)
0.49
59
588
風(fēng)箏向下拉力 (sin30度繩索)
 
300千克
 
 
名    稱
最 小 值
典 型 值
最 大 值
風(fēng)箏逆程速度(米/秒)
5
10
20
風(fēng)箏逆程面積(平方米)
5
7
10
逆程阻力(千克)
37.5
210
1200
風(fēng)箏逆程功率(千克米·秒)
187.5
2100
24000
風(fēng)箏逆程功率(千瓦)
1.8
21
235
計算、凈剩功率(千瓦)(59-21)=38
 
38
353
不同的風(fēng)箏運(yùn)動速度下;逆程/正程
效率73%
效率65%
效率61%
 
設(shè)計最小風(fēng)速時的最小拉力15米/秒
(最小面積時)
29(千克)
(7平方米)
設(shè)計最小風(fēng)速時的最大拉力15米/秒
(最大面積時)
421(千克)
(100平方米)
設(shè)計最大風(fēng)速時的最小拉力60米/秒
(最小面積時)
472(千克)
(7平方米)
最大風(fēng)速時的最大拉力(200米/秒)
(最小面積時)
3750(千克)
(7平方米)
最大風(fēng)速時的最大拉力(200米/秒)
(80平方米時)
60000(千克)
 
風(fēng)箏不掉下來的最小風(fēng)速(米/秒)
 
8
 
國產(chǎn)卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計壽命(年)
4
6
8
:繩索壽命(年)
2
3
6
風(fēng)箏壽命(年)
1
2
4
設(shè)計工作天數(shù) (天)/ 年
330
363
365
設(shè)備利用率(%)
90%
99.4%
100%
裝機(jī)費(fèi)用 元/千瓦
2900
3200
3700
每度電成本(千瓦/時)
0.10
0.14
0.15

注釋:繩索說明:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纖維(美國進(jìn)口),抗拉強(qiáng)度750千克/平方毫米,資料介紹抗拉強(qiáng)度是鋼絲的40倍。
 
A·關(guān)于風(fēng)箏的設(shè)計:(請參閱【風(fēng)箏發(fā)電機(jī)翼傘姿態(tài)控制方法的研究】作者:吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文,賀建平)
B·(風(fēng)箏運(yùn)動速度:正程=風(fēng)速-風(fēng)箏運(yùn)動速度   逆程=風(fēng)速+風(fēng)箏運(yùn)動速度)
C·風(fēng)箏運(yùn)動速度設(shè)計在10米/秒;風(fēng)速30米/秒;空氣密度是地面30%  。
D·正程阻力: R=1/16*密度*速度平方*面積=1/16*0.3*20*20*100 =750千克 (100m^2....在30米/秒風(fēng)速)
E·逆程阻力: R=1/16*密度*速度平方*面積=1/16*0.3*40*40*7 =210千克 (100m^2....在30米/秒風(fēng)速)
F·風(fēng)箏向下拉力:600千克/2(sin30度)=300千克
G·升力: L=1/2*0.3*20*20米/秒*100平方米 =(100m^2....在30米/秒風(fēng)速)
H·風(fēng)箏的機(jī)械效率:  (1 - 逆程拉力 / 正程拉力)* 100 %   (1 - 210 / 750) * 100% = 72%
I·正程繩索計算功率W = 千克*米/秒 / 75 = 馬力      1馬力*0.735 = 0.735千瓦
W=600千克(力)*10米/秒(速度) =6000千克·米 / 75=80馬力*0.735 =  29.4千瓦
J·凈剩功率計算:=正程功率 – 逆程功率 =  59千瓦 - 21千瓦 = 38千瓦
K·風(fēng)箏不掉下時的最小風(fēng)速:   風(fēng)箏的升力大于 > 風(fēng)箏重量20+繩索重量60 =  80千克
 
風(fēng)箏費(fèi)用包括傳感器明細(xì)表:
名稱
數(shù)量(個)
價格(元)
備注
風(fēng)箏(耐紫外線)
2
2000
5元/平方米
GPS(全球定位系統(tǒng))
2
2000
 
陀螺儀
2
1400
 
電子指南針
2
200
 
大氣壓
2
3000
 
濕度
2
100
 
溫度
2
50
 
風(fēng)速
2
200
 
數(shù)據(jù)電臺
2
800
 
數(shù)據(jù)接收機(jī)
1
1000
可重復(fù)利用
單片機(jī)算計
2
100
可重復(fù)利用
PC計算機(jī)
1
2000
可重復(fù)利用
合計
 
12850(元)
 
 
發(fā)電機(jī)等材料表:(6年費(fèi)用)
名稱
數(shù)量(個)
價格(元)
備注
卷揚(yáng)機(jī)
1
20000
22千瓦
繩索
2 (6年2套)
84000
2平方毫米
風(fēng)箏
2 (6年3套)
38550
 
風(fēng)箏調(diào)控裝置(套)
1
5000
 
(維修用)汽油發(fā)電機(jī)組
1
3000
3000瓦
合計
 
150550(元)
 
 
A·繩索:(壽命3年)抗拉(進(jìn)口)750千克/平方毫米,進(jìn)口價格每千克50美元。
(每個風(fēng)箏)60千克*50美元*人民幣/美元比值7 = 21000元。
(兩個風(fēng)箏)繩索   120千克 ~42000元。
B·國產(chǎn)卷揚(yáng)機(jī)設(shè)計壽命6年: 上海產(chǎn)帶電動機(jī)卷揚(yáng)機(jī) 22千瓦 ~20000元 (壽命六年)
C·風(fēng)箏數(shù)量100平方米(兩只)風(fēng)箏~6000元(包括7個傳感器;GPS、濕度、溫度、大氣壓、風(fēng)速、電子指南針、陀螺儀、電臺、發(fā)電機(jī)、滑輪等)。(12850元)。
D·風(fēng)箏功率38千瓦,考慮機(jī)械效率、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率等等,總效率估算57%,(~22千瓦)。
E·22千瓦*8760小時(365天)= 190000度(年發(fā)電量)。
F·6年發(fā)電量:190000*6=1140000度電。
G·6年費(fèi)用:卷揚(yáng)機(jī)2萬+繩索8.4萬+風(fēng)箏4萬+其它1萬=150550萬。
H·每年的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用 150550元/6年/22千瓦 = 1140元/每千瓦。
I· 裝機(jī)費(fèi)用 10000元 / 22(千瓦)  每千瓦 = 4500元。
J·每度電費(fèi)用  150550萬 / 1140000度=0.132元/度。
K·還有一臺風(fēng)廓線雷達(dá)約200萬、另外占地費(fèi)用、接入電網(wǎng)費(fèi)用、各種手續(xù)審批費(fèi)用,我不知道。
 
四·風(fēng)箏發(fā)電必要的(28門)知識
高中數(shù)學(xué)知識、高中物理、大氣物理學(xué)、空氣動力學(xué)、流體力學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)、氣象學(xué)、L波段氣象雷達(dá)(多普勒風(fēng)切變線雷達(dá))、機(jī)械原理、機(jī)械制圖、電機(jī)學(xué)、自動控制、單片機(jī)應(yīng)用、電腦數(shù)據(jù)采集、電腦編程、并網(wǎng)發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、無線電數(shù)據(jù)通訊、陀螺傳感器、GPS定位系統(tǒng)、航空管制法、京都議定書、可再生能源法、專利法、863計劃、抗紫外線高聚物材料。
五·估算試驗費(fèi)用:
初步資金461萬,(風(fēng)廓線雷達(dá)250萬,購場地200萬,22千瓦卷揚(yáng)機(jī)2萬,繩索2萬,風(fēng)箏2萬、其它5萬)
 
六·
附錄1(供參考):200 hpa 30米/秒風(fēng)速100平方米風(fēng)箏1平方毫米繩索放飛角度與升力損失關(guān)系
度角 (度)
繩索長度
(千米)
風(fēng)箏高度
(千米)
風(fēng)箏角度損失
(千克)
繩索重
(千克)
風(fēng)箏重
(千克)
升力總損失
(千克)
10
30
5.2
52
30
20
102
10
40
6.9
52
40
20
112
15
30
7.7
77
30
20
137
15
40
10.35
77
40
20
147
20
30
10.26
102
30
20
152
30
30
15.0
150
30
20
200
 
附錄2(供參考):10千米高空,100平方米風(fēng)箏30米/秒風(fēng)速,風(fēng)箏角度與升力、阻力關(guān)系。
風(fēng)箏度角 (度)
升力(千克)
阻力(千克)
繩索總拉力 (千克)
3
36000
50
60
6
34000
150
160
10
32000
260
240
15
28000
388
400
30
2200
750
800
45
1500
1060
1200
60
1000
1298
1360
75
200
1448
1520
90
0
1687
1700

注釋:風(fēng)速30米/
風(fēng)箏面積100平方米
   正程風(fēng)速=風(fēng)速—風(fēng)箏運(yùn)動速度  =20米/
A·升力: L=1/2*0.3*20*20米/秒*100平方米 =6000(100m^2....在30米/秒風(fēng)速)
B·回程計算
逆程風(fēng)速,30 + 10 = 40米/秒 
謝謝您的閱讀!因本人學(xué)識有限,以上計算可能有誤,請評說:但我想對人類做點貢獻(xiàn)。
 
七·參考文獻(xiàn):
【1】http://www.wyzxsx.com/Article/Class4/200708/22073.html
【2】http://www.teacherhu.org.cn/nr/62/61820.html【論文:一種利用高空風(fēng)能進(jìn)行發(fā)電的新方法】
作者中文名: 潘再平; 期刊中文名:太陽能學(xué)報; 時間/其次:1999/01; 作者英文名:  Keyword: 
[ 摘要 ]   提出了一種在高空對流層中進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的新方法。對高空風(fēng)況的研究表明,高空中風(fēng)能密度可達(dá)到地表面的100倍,風(fēng)向、風(fēng)速穩(wěn)定,適合風(fēng)力發(fā)電。介紹了新型懸空式風(fēng)力發(fā)電平臺及樣機(jī)在地面和低空實驗研究的情況,并給出了實驗結(jié)果。    作者單位: 浙江大學(xué)電機(jī)系. .......
http://club.dayoo.com/read.dy?b=cantonese&i=750534&t=750534風(fēng)箏發(fā)電的奇想2006-10-15 20:55:04
banban15
 
     風(fēng)箏發(fā)電機(jī)翼傘姿態(tài)控制方法的研究
 【英文題名】 Research on the Control Method of Parawing Posture of the Kite Generator
【作者中文名】 賀建平;
【導(dǎo)師】 唐可洪;
【學(xué)位授予單位】 吉林大學(xué);
【學(xué)科專業(yè)名稱】 機(jī)械電子工程
【學(xué)位年度】 2008
【論文級別】 碩士
【網(wǎng)絡(luò)出版投稿人】 吉林大學(xué);賀建平
【網(wǎng)絡(luò)出版投稿時間】 2008-09-12
【關(guān)鍵詞】 風(fēng)箏發(fā)電機(jī); 翼傘; 模糊模型; 路徑規(guī)劃;
【英文關(guān)鍵詞】 Kite Generator; Parawing; Trajectory Optimization; Fuzzy Model; Fuzzy Control;
【中文摘要】 近年來,由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,可再生能源被大量的消耗,開發(fā)新能源迫在眉睫。風(fēng)能是一種永不枯竭的可再生能源,風(fēng)能也是一種清潔能源,地球上的風(fēng)能大大超過水流的能量,風(fēng)能的利用將大大緩解能源危機(jī)。風(fēng)能利用主要是將大氣運(yùn)動時所具有的動能轉(zhuǎn)化為其它形式的能,風(fēng)能的利用歷史悠久,其具體用途包括:風(fēng)能發(fā)電、風(fēng)帆助航、風(fēng)車提水、風(fēng)力致熱采暖等。 地面的風(fēng)速小,并且不穩(wěn)定,所以利用地面的風(fēng)發(fā)電也是不穩(wěn)定的。高空存在穩(wěn)定的環(huán)流風(fēng),風(fēng)速大且穩(wěn)定,本文所研究的風(fēng)箏發(fā)電機(jī)能夠達(dá)到這樣的高度,它像風(fēng)箏一樣升入高空,然后能夠送回來源源不斷的電能,并且發(fā)電能力強(qiáng)、無噪音,但翼傘屬于柔性結(jié)構(gòu),控制翼傘姿態(tài)有一定難度,所以研究風(fēng)箏發(fā)電機(jī)意義重大。 本文首先介紹了風(fēng)箏發(fā)電機(jī)的整體機(jī)理,重點對翼傘
作者簡歷:
李慶星 男 1956年6月生于遼寧省葫蘆島市;
2006年~現(xiàn)在,浙江麗水 設(shè)計汽車傳感器;
1997年~2005年在美國工作(從事電子、機(jī)電一體化);
1981~1997年在錦州石化公司工作(機(jī)械工程師、任設(shè)備員);
1981畢業(yè)于錦州石油化工大學(xué)(機(jī)械專業(yè)類、大專生);
 

 

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