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1、當風能遇到“狹管效應”——如何有效利用地形開發(fā)或人為創(chuàng)造有利地形開發(fā)風能一．設計背景風能空氣運動產生的動能，它是太陽能的一種轉化形式，是一種清潔的可再生能源。而全球風能資源豐富，據估計，地球上近地層的風能總量約為2.74X109MW，其中可利用的風能為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能能流密度低。因此，如何改善風能的利用效率是一個重要的課題。中國明代思想家提出了“經世致用”的觀點，作為一個大學生，應
2、該從生活中發(fā)現問題，用所學的知識試著去解釋。偶然的發(fā)現，讓我對風能的利用有了一點點大膽的猜想。很多同學都會發(fā)現，每當經過三江樓，總會有一陣很強烈的風迎面而來。即使別的地方無風時，那里也會刮起大風。這引起了我的興趣，我發(fā)現這和三江樓獨特的位置有關，它與后面的圖書館以及行政樓形成了峽谷狀，很小的風在這里受到擠壓加速，才導致了大風，即所謂的“狹管效應”。目前大多數的風力機分布在海上，山頂等地，而實際中峽谷型地形處風力資源豐富，但并沒有得到有效地利用。結合所學，我覺得“狹管效應”或許可以應用于風能開發(fā)。一．理論知識狹管效應：當氣流由
3、開闊地帶流入地形構成的峽谷時，由于空氣質量不能大量堆積，于是加速流過峽谷，風速增大。當流出峽谷時，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”或“峽谷效應”。液體在管中流動，經過狹窄處時流速加快。氣流在地面流經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。從流體力學角度講，風在峽谷中受到擠壓，風速變大，并且流動變得混亂，由開闊空間的層流狀態(tài)轉變?yōu)橥牧鳡顟B(tài)，從而可以達到破壞性的速度。任何種類風力機產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—設計的風速；A—風輪掃掠的面積；Cp—風能利用系數；ηm—傳動效率；ηe—電效率.由風力機功率表達式可知，風速，氣體密度越大，風力機的功率約大，并且增大的效果十分明顯。而通過借助“狹管效應”，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。一．具體方案由于峽谷等地空間有限，因此大型風力機在峽谷處并不可行，我們可以改用中小型風力機。而聯想到實際，峽谷中的風一般是混亂的湍流，雜亂無章，方向變化極為頻繁。從一些統計資料來看，有很多風力機是被劇烈的狂風毀壞的，即使加固風力機的塔架或者增強風
5、力機結構材料的剛性，依然有比較大的被毀壞的風險。實際應用中的對策有：1.風力機選在風力較大但風向和風速變化較小的地方；2.將風力機建在空氣湍流較少的地方；3.提高葉片制作精度，使葉片的質量均勻一致。似乎峽谷處風力發(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變得有序，峽谷風發(fā)電依然大有可為。結合本學期學習的流體力學知識，我們可以人為地通過修整或者沿峽谷兩側排列擋板，先形成一個平整的漸縮型入風口。平整的擋板可以使進入入風口的風避免與兩側山體碰撞，既減少能量損失，又加強了來風的有序性。然后在入風口后部
6、圍上類似于層流罩的整流網。設計成漸縮型是根據工程熱力學中而得，當入口處風足夠大時，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變成風向穩(wěn)定持續(xù)的近似層流風，從而讓風力機不受損壞，長期穩(wěn)定地發(fā)電。簡單示意圖如下：風力機可以選擇螺旋槳式水平軸風力機。注：本論文有很多假設之處并不科學，有些想法也不合實際情況，有些問題現階段的技術還不能解決，但是也為如何有效利用風能提出一些小小的創(chuàng)意，或許在條件成熟知識，這一技術可以造福于人類。參考文獻：《可再生能源概論》；《新能源及可再生能源利用》。
