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無葉片風機Vortex利用“卡門渦街”原理來進行風力發(fā)電，這是風能的一個技術飛躍，將以更有效、更便宜、更具環(huán)境友好的方式來產(chǎn)生能量。
隨著全球經(jīng)濟的發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題越來越嚴峻，這使得可再生能源迅速發(fā)展起來。風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊量巨大，全球的風能約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW。根據(jù)國家能源局數(shù)據(jù)，2014年中國全部發(fā)電設備容量為1360GW，其中并網(wǎng)風電的容量達到了95.8GW，也就是說，風電在中國發(fā)電總量當中占據(jù)大約7%的份額。
一般情況下，我們所看見的風力發(fā)電機四平鼓風機都是水平軸扇葉風機，他們有著很大的風機葉片，以此來吸收風能并發(fā)電。然而，這樣的風電機有一些弊端。一個風電場的眾多風機之間的排列需要較大的安全距離，也就是說一塊固定大小的地面上能夠安裝的風電機數(shù)量是有限的；另外，扇葉的旋轉(zhuǎn)也對鳥類帶來了危險。
想象一下，一個沒有葉片的風機會是什么樣子？它需要更少的材料，成本更低，噪聲更小，對環(huán)境友好度更好……就在今年，西班牙公司Vortex Bladeless開發(fā)了一款酷炫的沒有葉片的風機——Vortex。無葉片風機Vortex是利用結(jié)構的振蕩捕獲風的動能，從而利用感應發(fā)電機或壓電發(fā)電機四平鼓風機將風的動能轉(zhuǎn)變成電能輸出。該設計理念將減少常規(guī)渦輪機中很多零部件的設計與制造，如葉片，機艙，輪轂，變速器，制動裝置，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等，從而使無葉片風機Vortex具有無磨損、性價比高、便于安裝和維護、環(huán)境友好型及土地利用率高等顯著特點。
無葉片風機Vortex的基本發(fā)電原理是卡門渦街。維基百科上這樣描述它，“在流體中安置阻流體，在特定條件下會出現(xiàn)不穩(wěn)定的邊界層分離，阻流體下游的兩側(cè)，會產(chǎn)生兩道非對稱地排列的旋渦，其中一側(cè)的旋渦循時針方向轉(zhuǎn)動，另一旋渦則反方向旋轉(zhuǎn)，這兩排旋渦相互交錯排列，各個旋渦和對面兩個旋渦的中間點對齊，如街道兩邊的街燈般。這種現(xiàn)象，因匈牙利裔美國空氣動力學家西奧多?馮?卡門先從理論上闡明而得名“卡門渦街”。“卡門渦街”可以解釋許多現(xiàn)象。1940年11月7日美國華盛頓州塔科馬海峽吊橋（Tacoma Narrow Bridge）崩塌事件。華盛頓州政府特為此而設立專案調(diào)查組，經(jīng)過美國空氣動力學家西奧多?馮?卡門在加州理工學院風洞進行模型測試，證明塔科馬海峽吊橋倒塌事件的元兇，是卡門渦街引起吊橋共振。原設計為了求美觀及省錢，使用過輕的物料，造成其發(fā)生共振的破壞頻率，與卡門渦街接近，從而隨強風而劇烈擺動，導致吊橋崩塌。
與一般風機通過渦輪的旋轉(zhuǎn)運動捕捉風能所不同的是，無葉片風機Vortex恰恰利用了卡門渦街來實現(xiàn)風能的捕獲。通過利用這種空氣動力學的不穩(wěn)定，無葉片風機Vortex可與風速“同步”以保持共振，將振蕩大化并進行機械能量的捕獲，進而利用該機械能進行發(fā)電。自然地，與傳統(tǒng)的渦輪機相比，無葉片風機Vortex的設計是完全不同的。Vortex的風機原型主要包括5個部分：基礎(foundation)、固定桅桿(rod)、發(fā)電機(generation system)、調(diào)諧系統(tǒng)(tuning system)和椎體(mast)。該錐體材質(zhì)為復合玻璃纖維及碳纖維，讓錐體能盡可能產(chǎn)生大值振蕩。若有足夠的風量，空氣流動時產(chǎn)生的渦量就能造成四平鼓風機—風機塔架結(jié)構振蕩與搖晃，進而發(fā)電。通常情況下，須在風速達到特定的頻率才能造成結(jié)構產(chǎn)生振蕩。但Vortex利用塔架底部的兩個環(huán)形相斥磁鐵作為非電動馬達，當錐體朝其中一個方向擺蕩，底部相斥的磁鐵便會將其推往另一個方向。因此無論風速如何，錐體本身都能持續(xù)產(chǎn)生大值振蕩。一旦錐體開始振蕩，振蕩時產(chǎn)生的機械能就會通過錐體底部的發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。從無葉片風機Vortex的發(fā)電原理來看，其屬于渦度發(fā)電機。四平鼓風機渦度發(fā)電機的另一種使用形式為垂直軸發(fā)電機，垂直軸發(fā)電機依然使用的是直吹的風，只不過把旋轉(zhuǎn)軸從水平變成了垂直。
無葉片風機Vortex的一個顯著特色是其成本較低。與一般的風機相比，其成本可減少40%。包括資金成本、運行和維護、土地租賃、保險和其他管理費用在內(nèi)，其典型歸一化成本約為$0.035/kWh。這將很大降低開發(fā)Vortex風場的資金投入，不僅對其他可再生能源開發(fā)方式具有較高的競爭力，與傳統(tǒng)能源相比，其性價比也較高。Vortex風機成本的降低主要來源于制造成本的降低：Vortex將塔和發(fā)電機集成進一個結(jié)構，從而減少了移動部件和制造材料；此外，Vortex取消了機艙、支撐結(jié)構和傳統(tǒng)風機中成本高的部分之一——風葉。與傳統(tǒng)風機相比，其制造成本大概可減少53%，并且運輸、建造和組織的過程也將被簡化。
Vortex風機的設計使其機械部件避免了磨損和摩擦撕裂，因此在四平鼓風機廠風機的運行過程中不需要更換部件及添加潤滑油，從而可使維護成本減少80%。但是，這樣同時會帶來機構的疲勞問題，風會引起風機機構產(chǎn)生位移，尤其是彈性桿底部需要承受較大的力。不過，Vortex Bladeless公司對Vortex風機的桿體材料即碳纖維進行了研究，結(jié)果表明彈性桿的應力遠未達到碳纖維的工作極限，其壽命至少在30年。與傳統(tǒng)風機相比，還有一個較大的區(qū)別就是Vortex風機的發(fā)電機接近地面，從而便于組裝和維護。
此外，Vortex風機還具有占地小，對環(huán)境的安全影響較低等優(yōu)勢。Vortex風機對風吹來的方向沒有限制——這和傳統(tǒng)的水平軸風機相比是一個很大的優(yōu)勢。也就是說，如果這種技術在未來得到更廣泛地使用，任何有風的地方都可以安裝發(fā)電機，不必像現(xiàn)在的風電場一樣，需要一年中有持續(xù)的來自某一方向的風，才能保證足夠的使用效率。
風機的發(fā)電效率是一個較為重要的技術參數(shù)。經(jīng)過實地測試，Vortex Mini型風機（100W）的風能利用效率，較傳統(tǒng)風力渦輪發(fā)電機低30%。但無葉片風機Vortex所占的空間相對較小，并且其成本較低，這些優(yōu)勢可以彌補本身風能利用效率較低的不足之處。
總的來說，Vortex的優(yōu)勢還是比劣勢多。這項技術已經(jīng)吸引了來自 Harvard University、SunEdison公司的TerraForm 功率可再生能源事業(yè)部Power Inc.和Dat Venture的興趣。
Vortex Bladeless 擬推出的Vortex風機，大容量為1MW，主要適用于大規(guī)模發(fā)電：大客戶、可再生能源的投資商和電力公司；中小容量的為4kW和100W，主要適用于家用或工業(yè)發(fā)電。Vortex Bladeless給出了其商業(yè)計劃，該計劃長達48個月，分為四個技術發(fā)展階段，其終目標是1MW發(fā)電機的預商用制造。目前已經(jīng)完成了100萬美元的融資，一款風機Vortex Mini將在一年內(nèi)完成研發(fā)和優(yōu)化，進入量產(chǎn)階段。
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四平市萬通鼓風機制造有限公司(原萬通鼓風機制造廠)簡稱“四平鼓風機廠”，是風機行業(yè)的骨干企業(yè)，專業(yè)生產(chǎn)各類通風機和鼓風機。四平鼓風機廠是以高溫風機和大型離心通風機為主產(chǎn)品的風機制造專業(yè)公司。四平鼓風機廠主要產(chǎn)品有：工業(yè)爐用高溫風機；水泥窯用高溫風機；冶金行業(yè)用燒結(jié)風機；大型除塵風機；化工用防腐風機；電廠用循環(huán)硫化床風機；煤粉風機；水泥廠用冷機風機、斜槽風機、氣固兩相流風機；一般鍋爐用鼓引風機及其他通用風機和各種用途的高溫風機等。
