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) |
2 |
9 |
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/秒 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/秒
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
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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