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1、當(dāng)風(fēng)能遇到“狹管效應(yīng)”——如何有效利用地形開發(fā)或人為創(chuàng)造有利地形開發(fā)風(fēng)能一．設(shè)計背景風(fēng)能空氣運動產(chǎn)生的動能，它是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式，是一種清潔的可再生能源。而全球風(fēng)能資源豐富，據(jù)估計，地球上近地層的風(fēng)能總量約為2.74X109MW，其中可利用的風(fēng)能為2X107MW，比地球上可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍，大有開發(fā)空間。但是風(fēng)能要受到地形，氣候等因素影響，開發(fā)具有一些地域等的局限性，還有一個更大的缺陷就是風(fēng)能能流密度低。因此，如何改善風(fēng)能的利用效率是一個重要的課題。中國明代思想家提出了“經(jīng)世致用”的觀點，作為一個大學(xué)生，應(yīng)
2、該從生活中發(fā)現(xiàn)問題，用所學(xué)的知識試著去解釋。偶然的發(fā)現(xiàn)，讓我對風(fēng)能的利用有了一點點大膽的猜想。很多同學(xué)都會發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)經(jīng)過三江樓，總會有一陣很強烈的風(fēng)迎面而來。即使別的地方無風(fēng)時，那里也會刮起大風(fēng)。這引起了我的興趣，我發(fā)現(xiàn)這和三江樓獨特的位置有關(guān)，它與后面的圖書館以及行政樓形成了峽谷狀，很小的風(fēng)在這里受到擠壓加速，才導(dǎo)致了大風(fēng)，即所謂的“狹管效應(yīng)”。目前大多數(shù)的風(fēng)力機分布在海上，山頂?shù)鹊?，而實際中峽谷型地形處風(fēng)力資源豐富，但并沒有得到有效地利用。結(jié)合所學(xué)，我覺得“狹管效應(yīng)”或許可以應(yīng)用于風(fēng)能開發(fā)。一．理論知識狹管效應(yīng)：當(dāng)氣流由
3、開闊地帶流入地形構(gòu)成的峽谷時，由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，于是加速流過峽谷，風(fēng)速增大。當(dāng)流出峽谷時，空氣流速又會減緩。這種峽谷地形對氣流的影響，稱為“狹管效應(yīng)”或“峽谷效應(yīng)”。液體在管中流動，經(jīng)過狹窄處時流速加快。氣流在地面流經(jīng)狹窄地形時類似液體在管中的流動，流速也會增加，并因氣體具有可壓縮性，密度也會增大。從流體力學(xué)角度講，風(fēng)在峽谷中受到擠壓，風(fēng)速變大，并且流動變得混亂，由開闊空間的層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，從而可以達到破壞性的速度。任何種類風(fēng)力機產(chǎn)生的功率可用下式表示：Ρ=1/2ρυ3ACpηmηe式中Ρ—輸出功率；ρ—空氣
4、密度（取大氣狀態(tài)）；υ—設(shè)計的風(fēng)速；A—風(fēng)輪掃掠的面積；Cp—風(fēng)能利用系數(shù)；ηm—傳動效率；ηe—電效率.由風(fēng)力機功率表達式可知，風(fēng)速，氣體密度越大，風(fēng)力機的功率約大，并且增大的效果十分明顯。而通過借助“狹管效應(yīng)”，我們正可以得到速度非常大的氣流，這就給上面的猜想提供了理論上的依據(jù)。一．具體方案由于峽谷等地空間有限，因此大型風(fēng)力機在峽谷處并不可行，我們可以改用中小型風(fēng)力機。而聯(lián)想到實際，峽谷中的風(fēng)一般是混亂的湍流，雜亂無章，方向變化極為頻繁。從一些統(tǒng)計資料來看，有很多風(fēng)力機是被劇烈的狂風(fēng)毀壞的，即使加固風(fēng)力機的塔架或者增強風(fēng)
5、力機結(jié)構(gòu)材料的剛性，依然有比較大的被毀壞的風(fēng)險。實際應(yīng)用中的對策有：1.風(fēng)力機選在風(fēng)力較大但風(fēng)向和風(fēng)速變化較小的地方；2.將風(fēng)力機建在空氣湍流較少的地方；3.提高葉片制作精度，使葉片的質(zhì)量均勻一致。似乎峽谷處風(fēng)力發(fā)電并不符合以上的對策，但是假如可以通過一些附加裝置，使得雜亂無章的峽谷風(fēng)變得有序，峽谷風(fēng)發(fā)電依然大有可為。結(jié)合本學(xué)期學(xué)習(xí)的流體力學(xué)知識，我們可以人為地通過修整或者沿峽谷兩側(cè)排列擋板，先形成一個平整的漸縮型入風(fēng)口。平整的擋板可以使進入入風(fēng)口的風(fēng)避免與兩側(cè)山體碰撞，既減少能量損失，又加強了來風(fēng)的有序性。然后在入風(fēng)口后部
6、圍上類似于層流罩的整流網(wǎng)。設(shè)計成漸縮型是根據(jù)工程熱力學(xué)中而得，當(dāng)入口處風(fēng)足夠大時，減小截面積可以增大流速。通過這兩項措施，可以讓雜亂無章的峽谷風(fēng)變成風(fēng)向穩(wěn)定持續(xù)的近似層流風(fēng)，從而讓風(fēng)力機不受損壞，長期穩(wěn)定地發(fā)電。簡單示意圖如下：風(fēng)力機可以選擇螺旋槳式水平軸風(fēng)力機。注：本論文有很多假設(shè)之處并不科學(xué)，有些想法也不合實際情況，有些問題現(xiàn)階段的技術(shù)還不能解決，但是也為如何有效利用風(fēng)能提出一些小小的創(chuàng)意，或許在條件成熟知識，這一技術(shù)可以造福于人類。參考文獻：《可再生能源概論》；《新能源及可再生能源利用》。
