当风能遇到“狭管效应” 风能利用

当风能遇到“狭管效应”

——如何有效利用地形开发或人为创造有利地形开发

风能

一．设计背景

风能空气运动产生的动能，它是太阳能的一种转化形式，是一种清洁的可再生能源。而全球风能资源丰富，据估计，地球上近地层的风能总量约为2.74X109MW，其中可利用的风能为2X107MW，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍，大有开发空间。但是风能要受到地形，气候等因素影响，开发具有一些地域等的局限性，还有一个更大的缺陷就是风能能流密度低。因此，如何改善风能的利用效率是一个重要的课题。

中国明代思想家提出了“经世致用”的观点，作为一个大学生，应该从生活中发现问题，用所学的知识试着去解释。偶然的发现，让我对风能的利用有了一点点大胆的猜想。

很多同学都会发现，每当经过三江楼，总会有一阵很强烈的风迎面而来。即使别的地方无风时，那里也会刮起大风。这引起了我的兴趣，我发现这和三江楼独特的位置有关，它与后面的图书馆以及行政楼形成了峡谷状，很小的风在这里受到挤压加速，才导致了大风，即所谓的“狭管效应”。目前大多数的风力机分布在海上，山顶等地，而实际中峡谷型地形处风力资源丰富，但并没有得到有效地利用。结合所学，我觉得“狭管效应”或许可以应用于风能开发。

二．理论知识

狭管效应：当气流由开阔地带流入地形构成的峡谷时，由于空气质量不能大量堆积，于是加速流过峡谷，风速

增大。当流出峡谷时，空气流速又会减缓。这种峡谷地

形对气流的影响，称为“狭管效应”或“峡谷效应”。液体

在管中流动，经过狭窄处时流速加快。气流在地面流经

狭窄地形时类似液体在管中的流动，流速也会增加，并

因气体具有可压缩性，密度也会增大。

从流体力学角度讲，风在峡谷中受到挤压，风速变大，并且流动变得混乱，由开阔空间的层流状态转变为湍流

状态，从而可以达到破坏性的速度。

任何种类风力机产生的功率可用下式表示：

Ρ=1/2ρυ³AC pηmη e

式中Ρ—输出功率；

ρ—空气密度（取大气状态）；

υ—设计的风速；

A—风轮扫掠的面积；

C p—风能利用系数；

ηm—传动效率；

ηe—电效率.

由风力机功率表达式可知，风速，气体密度越大，风力机的功率约大，并且增大的效果十分明显。而通过借助“狭管效应”，我们正可以得到速度非常大的气流，这就给上面的猜想提供了理论上的依据。

三．具体方案

由于峡谷等地空间有限，因此大型风力机在峡谷处并不可行，我们可以改用中小型风力机。而联想到实际，峡谷中的风一般是混乱的湍流，杂乱无章，方向变化极为频繁。从一些统计资料来看，有很多风力机是被剧烈的狂风毁坏的，即使加固风力机的塔架或者增强风力机结构材料的刚性，依然有比较大的被毁坏的风险。

实际应用中的对策有：1.风力机选在风力较大但风向和风速变化较小的地方；2.将风力机建在空气湍流较少的地方；3.提高叶片制作精度，使叶片的质量均匀一致。

似乎峡谷处风力发电并不符合以上的对策，但是假如可以通

过一些附加装置，使得杂乱无章的峡谷风变得有序，峡谷风发电依然大有可为。

结合本学期学习的流体力学知识，我们可以人为地通过修整或者沿峡谷两侧排列挡板，先形成一个平整的渐缩型入风口。平整的挡板可以使进入入风口的风避免与两侧山体碰撞，既减少能量损失，又加强了来风的有序性。然后在入风口后部围上类似于层流罩的整流网。设计成渐缩型是根据工程热力学中f f

2)1(c dc Ma A dA -=而得，当入口处风足够大时，减小

截面积可以增大流速。通过这两项措施，可以让杂乱无章的峡谷风变成风向稳定持续的近似层流风，从而让风力机不受损坏，长期稳定地发电。

简单示意图如下：

风力机可以选择螺旋桨式水平轴风力机。

注：本论文有很多假设之处并不科学，有些想法也不

合实际情况，有些问题现阶段的技术还不能解决，但是也为如何有效利用风能提出一些小小的创意，或许在条件成熟知识，这一技术可以造福于人类。

参考文献：《可再生能源概论》；

《新能源及可再生能源利用》。