風(fēng)洞式渦輪發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其包括一具隔熱性的風(fēng)洞裝置，風(fēng)洞裝置包括由前而后連續(xù)設(shè)置的進(jìn)氣收縮段、測(cè)試段及排氣擴(kuò)散段，進(jìn)氣收縮段的前端設(shè)有空氣壓縮機(jī)，空氣壓縮機(jī)的前端設(shè)有加熱元件，測(cè)試段內(nèi)設(shè)有氣流渦輪機(jī)，而氣流渦輪機(jī)與發(fā)電機(jī)連接。藉此，經(jīng)由加熱元件預(yù)先加熱通過空氣壓縮機(jī)的空氣，即能在風(fēng)洞裝置的測(cè)試段內(nèi)形成高速的氣流，驅(qū)使氣流渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以產(chǎn)生電力，并同時(shí)避免氣流渦輪機(jī)出口因低溫而使水汽凝結(jié)，從而確保發(fā)電效果。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明有關(guān)一種渦輪發(fā)電機(jī)，尤指一種能以空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高速氣流，以進(jìn)行發(fā) 電的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)。 風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)

【背景技術(shù)】
[0002] 近年來由于地球的石油即將面臨耗盡的危機(jī)，世界各國(guó)皆不斷的積極開發(fā)風(fēng)力、 水力、地?zé)峄蛱?yáng)能等利用天然資源以產(chǎn)生電力能量的方法，以此來緩減石油能源消耗的 速度。
[0003] 其中，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電而言，一般是以增大風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)的渦輪葉片掃風(fēng)面積做 為增加發(fā)電功率的努力方向，而依據(jù)發(fā)電功率的計(jì)算公式：發(fā)電功率=1/2 (渦輪有效系 數(shù)）X (空氣密度）X (圓周率）X (渦輪半徑)2X (風(fēng)速)3,可知增加渦輪半徑而使得渦輪 葉片的掃風(fēng)面積增加確實(shí)可以提高發(fā)電功率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，渦輪半徑增加得太大，相對(duì)的將使得整個(gè)風(fēng)力發(fā)電渦輪機(jī)組的體 積重量加大，大幅增加制造成本。
[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題，改善現(xiàn)有結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)，發(fā)明人積多年的經(jīng)驗(yàn)及不 斷的研發(fā)改進(jìn)，提供了一種風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)。
[0006] 本發(fā)明提供的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，包括一風(fēng)洞裝置、一空氣壓縮機(jī)、一氣流渦輪 機(jī)、一發(fā)電機(jī)以及一加熱元件。其中，該風(fēng)洞裝置包括一進(jìn)氣收縮段、一測(cè)試段及一排氣擴(kuò) 散段，該進(jìn)氣收縮段及該排氣擴(kuò)散段分別為收斂形及發(fā)散形，該進(jìn)氣收縮段較細(xì)的一端與 該測(cè)試段的前端連接，該排氣擴(kuò)散段較細(xì)的一端與該測(cè)試段的后端連接；該空氣壓縮機(jī)設(shè) 于該進(jìn)氣收縮段的前端；該氣流渦輪機(jī)設(shè)于該測(cè)試段內(nèi)；該發(fā)電機(jī)與氣流渦輪機(jī)連接，供 氣流渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行發(fā)電；而該加熱元件設(shè)于空氣壓縮機(jī)的前端，供預(yù)先加熱通過空氣 壓縮機(jī)的空氣。
[0007] 優(yōu)選地，上述風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)還包括一管，該管的后端連接進(jìn)氣收縮段的前端， 該管的前端連接排氣擴(kuò)散段的后端。
[0008] 更優(yōu)選地，該風(fēng)洞裝置及管設(shè)有至少一隔熱材料，供阻隔風(fēng)洞裝置及管內(nèi)的熱量 向外散出。
[0009] 更優(yōu)選地，該風(fēng)洞裝置及管為一隔熱材料制成，供阻隔風(fēng)洞裝置及管內(nèi)的熱量向 外散出。
[0010] 優(yōu)選地，該空氣壓縮機(jī)、該發(fā)電機(jī)及該氣流渦輪機(jī)依序排列，且位于同一軸線上。
[0011] 優(yōu)選地，該加熱元件具有一排熱端，該排熱端設(shè)于風(fēng)洞裝置的內(nèi)部。
[0012] 更優(yōu)選地，該排熱端包括多個(gè)并列且分別呈飛機(jī)機(jī)翼截面形狀的散熱葉片，該多 個(gè)散熱葉片分別具有寬端及窄端，寬端是以遠(yuǎn)離空氣壓縮機(jī)的方向由該窄端向前延伸而 成。所述寬端與窄端是相對(duì)的，散熱葉片寬端橫截面的最長(zhǎng)直徑大于窄端橫截面的最長(zhǎng)直 徑。
[0013] 更優(yōu)選地，該多個(gè)散熱葉片分別由導(dǎo)熱材料所制成，其內(nèi)部中空，且各中空散熱葉 片的內(nèi)部相互連通 優(yōu)選地，該加熱元件為一熱泵，該熱泵還具有一排冷端，且該排冷端設(shè)于風(fēng)洞裝置的外 部。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果： 本發(fā)明的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)能利用風(fēng)洞裝置所形成的文氏管效應(yīng)，直接以空氣壓縮機(jī) 產(chǎn)生氣流，再使氣流加速，使高速的氣流推動(dòng)氣流渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以進(jìn)行發(fā)電。
[0015] 本發(fā)明的結(jié)構(gòu)在空氣壓縮機(jī)的前端設(shè)置加熱元件，以預(yù)先加熱通過空氣壓縮機(jī)的 空氣，并使本發(fā)明具有隔熱效果，而可使氣流溫度有效的提升，以提供充足的能量，從而使 高速氣流驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)，以輸出電能，并同時(shí)避免氣流渦輪機(jī)出口因低溫而使 水汽凝結(jié)，從而確保發(fā)電效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 圖1為本發(fā)明的第一實(shí)施例的剖面示意圖。
[0017] 圖2為本發(fā)明的第二實(shí)施例的剖面示意圖。
[0018] 圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的氣流渦輪機(jī)與熱泵的發(fā)電系統(tǒng)示意圖。
[0019] 圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的壓力-體積（P-V)圖。
[0020] 圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的溫度-熵（T-S)圖。
[0021] 圖6為現(xiàn)有燃?xì)鉁u輪機(jī)的剖面示意圖。
[0022] 圖7為第6圖的燃?xì)鉁u輪機(jī)的壓力-體積（P-V)圖。
[0023] 圖8為第6圖的燃?xì)鉁u輪機(jī)的溫度-熵（T-S)圖。
[0024] 符號(hào)說明： 風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)1 ; 風(fēng)洞裝置2 ; 進(jìn)氣收縮段21; 測(cè)試段22; 排氣擴(kuò)散段23 ; 空氣壓縮機(jī)3 ; 發(fā)電機(jī)4; 氣流渦輪機(jī)5; 加熱元件6; 排熱端61; 排冷端62 ; 散熱葉片63 ; 管7。

【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以更好地 理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0026] 本發(fā)明是以風(fēng)洞裝置做為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，其中，以現(xiàn)今的密閉式風(fēng)洞裝置而言，因其內(nèi) 部阻力及空氣壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，將使氣流持續(xù)加溫，所以氣流必須經(jīng)過冷卻降溫之后，才能提 供風(fēng)洞裝置的測(cè)試段使用。但是，冷卻系統(tǒng)會(huì)消耗大量的能源，而本發(fā)明的氣流渦輪機(jī)正需 要熱氣流驅(qū)動(dòng)，使風(fēng)洞原有的缺點(diǎn)變成優(yōu)點(diǎn)，且因本發(fā)明的風(fēng)洞裝置無需設(shè)置冷卻系統(tǒng)，將 大幅減少能源浪費(fèi)；而利用氣流溫度上升所增加的能量驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)，則可提高能源效 率。
[0027] 本發(fā)明的作用原理在于，風(fēng)洞裝置內(nèi)的氣流被熱泵（Heat Pump)取自外界的 熱能預(yù)熱后，進(jìn)入空氣壓縮機(jī)加溫加壓，再經(jīng)進(jìn)氣收縮段增速，此高速氣流常在馬赫 (Mach) 0. 6-0. 9之間，通過并驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)以釋出能量，同時(shí)氣溫和流速大幅下降，氣溫 將低于其原來進(jìn)入空氣壓縮機(jī)前的溫度。如此一來，氣流前、后溫度差和速度差表示氣流釋 出大量?jī)?nèi)能和動(dòng)能，當(dāng)氣流驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)釋出的能量大于空氣壓縮機(jī)和熱泵壓縮機(jī)二者 的消耗能量時(shí)，系統(tǒng)能量輸出凈值變?yōu)檎龜?shù)，以對(duì)外輸出電能。
[0028] 而如果空氣壓縮機(jī)送出的氣流溫度不高，當(dāng)氣流進(jìn)入氣流渦輪機(jī)再離開時(shí)，溫度 可能會(huì)下降至接近零攝氏度，使氣流內(nèi)的水汽凝結(jié)成冰而傷害機(jī)件。為避免此種現(xiàn)象，即 必須提高氣流溫度，而提高氣流溫度最有效的方法就是在氣流離開氣流渦輪機(jī)，而回流到 空氣壓縮機(jī)之間，或在空氣壓縮機(jī)之前方以熱泵（Heat Pump)預(yù)熱，提高空氣壓縮機(jī)的進(jìn)氣 溫度，以使風(fēng)洞裝置內(nèi)的氣流不再凝結(jié)。同時(shí)，由于熱泵自外界輸入的熱能約為熱泵壓縮機(jī) 耗能的三倍（Coefficient of Performance，C0P=3)，如此一來，將會(huì)大幅增加氣流內(nèi)能， 轉(zhuǎn)化成輸出功，而提升本發(fā)明系統(tǒng)的能源效率。
[0029] 請(qǐng)參閱圖1所示，其為本發(fā)明風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)1的第一實(shí)施例，包括一風(fēng)洞裝置 2、一空氣壓縮機(jī)3、一發(fā)電機(jī)4、一氣流潤(rùn)輪機(jī)5以及一加熱兀件6。
[0030] 該風(fēng)洞裝置2為連續(xù)開放式（Continuous Open-Circuit Type, C0CWT)，包括由前 而后連續(xù)設(shè)置的一進(jìn)氣收縮段21、一測(cè)試段22及一排氣擴(kuò)散段23。其中，進(jìn)氣收縮段21及 排氣擴(kuò)散段23分別為收斂形及發(fā)散形，測(cè)試段22為圓形管。進(jìn)氣收縮段21的前端較粗， 進(jìn)氣收縮段21的后端較細(xì)，該較細(xì)的后端與測(cè)試段22的前端連接，而排氣擴(kuò)散段23較細(xì) 的前端與測(cè)試段22的后端連接。
[0031] 該空氣壓縮機(jī)3、發(fā)電機(jī)4及氣流渦輪機(jī)5由前而后依序排列，且位于同一軸線上。 其中，空氣壓縮機(jī)3同軸定位在進(jìn)氣收縮段21的前端，氣流渦輪機(jī)5同軸定位在測(cè)試段22 內(nèi)，而發(fā)電機(jī)4與氣流渦輪機(jī)5同軸連接，并位于空氣壓縮機(jī)3與氣流渦輪機(jī)5之間，實(shí)施 時(shí)，該發(fā)電機(jī)4也可設(shè)于測(cè)試段22的外部，并經(jīng)由傳動(dòng)裝置與氣流渦輪機(jī)5連接。
[0032] 而該加熱兀件6設(shè)于空氣壓縮機(jī)3的前端，加熱兀件6較佳為一熱泵，熱泵具有一 排熱端61及一排冷端62,排熱端61設(shè)于風(fēng)洞裝置2的內(nèi)部，排冷端62設(shè)于風(fēng)洞裝置2的 外部。排熱端61較佳地包括多個(gè)并列且分別呈飛機(jī)機(jī)翼截面形狀的散熱葉片63,以使該多 個(gè)散熱葉片63分別具有較寬的一寬端及較窄的一窄端，較寬的寬端是以遠(yuǎn)離空氣壓縮機(jī)3 的方向由較窄的窄端向前延伸而成。另外，該多個(gè)散熱葉片63分別由導(dǎo)熱材料所制成，其 內(nèi)部中空，且各中空散熱葉片63的內(nèi)部相互連通。
[0033] 請(qǐng)參閱圖2所示，其為本發(fā)明風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)1的第二實(shí)施例，其與第一實(shí)施例 的不同之處在于：第一實(shí)施例的風(fēng)洞裝置2為連續(xù)開放式，而本實(shí)施例的風(fēng)洞裝置2為連續(xù) 閉合式（Continuous Closed-Circuit Type, CCCWT)，也就是說，在本實(shí)施例中，還包括一 管7,且該管7的后端連接進(jìn)氣收縮段21的前端，該管7的前端連接排氣擴(kuò)散段23的后端， 以形成氣流的循環(huán)管路。
[0034] 在第一、第二實(shí)施例中，該風(fēng)洞裝置2及該管7教佳地為隔熱材料所制成，以阻隔 風(fēng)洞裝置2及管7內(nèi)的熱量向外散出。實(shí)施時(shí)，風(fēng)洞裝置2及管7也可在其內(nèi)管壁上結(jié)合 一層隔熱材料，或在外管壁上結(jié)合一層隔熱材料，或在內(nèi)、外管壁之間結(jié)合一層隔熱材料， 同樣可以達(dá)到阻隔風(fēng)洞裝置2及管7內(nèi)的熱量向外散出的效果。
[0035] 以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得經(jīng)由空氣壓縮機(jī)3的空氣加壓及文氏管效應(yīng)，空氣即能在風(fēng) 洞裝置2的測(cè)試段22內(nèi)形成高速的氣流，驅(qū)使氣流渦輪機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)4產(chǎn)生電力，而 經(jīng)由加熱元件6的預(yù)先加熱，即可避免氣流渦輪機(jī)5的出口因低溫而使水汽凝結(jié)，從而確保 發(fā)電的效果；再者，經(jīng)由隔熱材料的阻隔，則可有效避免風(fēng)洞裝置2及管7內(nèi)的熱量向外散 出，以提高空氣壓縮機(jī)3的進(jìn)氣溫度，進(jìn)而降低加熱元件6輸出功率，從而提高整體的發(fā)電 效果。
[0036] 為證明本發(fā)明確實(shí)可行，本發(fā)明同時(shí)提出"內(nèi)阻耗能凈值系數(shù)CK"的概念，以研究 風(fēng)洞裝置的內(nèi)阻及氣流各項(xiàng)參數(shù)的變化，并以熱力學(xué)的觀點(diǎn)加以驗(yàn)證。
[0037] 首先，以能量進(jìn)出觀點(diǎn)，討論本發(fā)明連續(xù)密閉式氣流風(fēng)洞裝置與同型現(xiàn)今傳統(tǒng)風(fēng) 洞裝置的內(nèi)部阻力等項(xiàng)的差異，其中，請(qǐng)同時(shí)參閱圖3所示，所采用的符號(hào)定義如下： Wcps :空氣壓縮機(jī)消耗功，就傳統(tǒng)風(fēng)洞而言，Wcps就是"內(nèi)阻耗能總和SWir"與"熱 損失能量Qcl "二者之和； CK :風(fēng)洞內(nèi)阻凈值系數(shù)，是"內(nèi)阻耗能凈值Net Wir"與"空氣壓縮機(jī)消耗功Wcps"的比 值，即 CR = Net Wir / Wcps ; Wtb:本發(fā)明風(fēng)洞渦輪機(jī)輸出功（約等于發(fā)電機(jī)輸出功）； Qhp :本發(fā)明熱泵輸入風(fēng)洞的熱能； Whp:本發(fā)明熱泵壓縮機(jī)消耗功，Whp = l/3XQhp (假設(shè)C0P=3); fcet :系統(tǒng)輸出能量?jī)糁担?f| energy :系統(tǒng)能源效率； 再針對(duì)"內(nèi)阻耗能總和SWir"與"內(nèi)阻耗能凈值Net Wir"的概念進(jìn)一步說明如下： 風(fēng)洞內(nèi)阻為風(fēng)洞裝置內(nèi)壁、測(cè)試模型及支架、擴(kuò)散管、蜂巢形整流器、濾網(wǎng)及轉(zhuǎn)角導(dǎo)片 等元件所產(chǎn)生的氣流阻力，主要分為"磨擦損失"與"動(dòng)態(tài)損失"兩大類。其中，磨擦損失由 流速不同的層流（Laminar Flows)之間分子磨擦所產(chǎn)生，在風(fēng)洞裝置內(nèi)部，處處皆有此磨擦 損失持續(xù)發(fā)生中；而動(dòng)態(tài)損失是指風(fēng)洞內(nèi)某些特別裝置在特定點(diǎn)造成的氣流阻力，因各種 裝置形狀及位置不一，必須逐項(xiàng)評(píng)估其值。
[0038] 各種裝置磨擦損失hf可由下列Darcy-Weisbach公式計(jì)算求得： L F2 因所有風(fēng)洞裝置的內(nèi)阻均轉(zhuǎn)化為氣流熱能，因此，風(fēng)洞裝置內(nèi)的氣流會(huì)越來越熱，使得 測(cè)試段不能使用，必須將其冷卻，也就是說，風(fēng)洞裝置內(nèi)阻轉(zhuǎn)化為熱能為傳統(tǒng)風(fēng)洞裝置的巨 大負(fù)擔(dān)，必須要以冷卻系統(tǒng)進(jìn)行降溫。
[0039] 就傳統(tǒng)風(fēng)洞裝置而言，內(nèi)阻消耗的能量大約是空氣壓縮機(jī)輸入功的一半或略小， 即Σ Wir = l/2XWcps。而就本發(fā)明而言，因風(fēng)洞裝置為密閉式熱絕緣體，又無冷卻系統(tǒng)， 風(fēng)洞裝置的內(nèi)阻與外界無關(guān)，內(nèi)阻產(chǎn)生的熱將使風(fēng)洞內(nèi)氣流溫度上升，內(nèi)能增加，以驅(qū)動(dòng)氣 流渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)。此時(shí)，增加的內(nèi)能部分轉(zhuǎn)化成有用的電能，將傳統(tǒng)風(fēng)洞的損耗轉(zhuǎn)變?yōu)殡?能輸出，而未轉(zhuǎn)化的熱能皆保存在風(fēng)洞裝置內(nèi)，并無流失，正是本發(fā)明產(chǎn)生高效率清潔能源 的關(guān)鍵。
[0040] 因此，以"內(nèi)阻耗能凈值"的概念以討論本發(fā)明的風(fēng)洞裝置與傳統(tǒng)風(fēng)洞裝置之間的 差異時(shí)，可知傳統(tǒng)風(fēng)洞裝置的內(nèi)阻消耗能凈值Net Wir =全部?jī)?nèi)阻耗能總和SWir ;傳統(tǒng) 風(fēng)洞裝置的 CK = 1/2 故 Net Wir = = l/2XWcps。
[0041] 而本發(fā)明風(fēng)洞裝置的內(nèi)阻耗能部分轉(zhuǎn)化成電能輸出，故Net Wir ? Xffir (0〈 CK〈〈 1/2 )，也就是說，本發(fā)明系統(tǒng)的"內(nèi)阻耗能凈值"遠(yuǎn)小于"內(nèi)阻耗能總和"， 由實(shí)施例個(gè)案的精確數(shù)值可由試驗(yàn)求得，本發(fā)明對(duì)此保守估計(jì)為C K= 1/3,即Net Wir = l/3XWcps。
[0042] 另，再針對(duì)"熱損失能量Qcl"與"內(nèi)阻耗能凈值Net Wir"的概念進(jìn)一步說明如 下： Qcl: "熱損失"或"冷卻損失"是指風(fēng)洞裝置的冷卻系統(tǒng)移走的熱能與風(fēng)洞裝置的管 壁逸散到外界的熱能二者之和。這是傳統(tǒng)風(fēng)洞主要的能量損失，會(huì)使風(fēng)洞裝置運(yùn)轉(zhuǎn)成本大 幅增加；當(dāng)風(fēng)洞壓縮機(jī)不斷對(duì)氣流增壓加溫，再加上內(nèi)阻持續(xù)變成熱能，其使產(chǎn)生的高溫氣 流并不適合測(cè)試段使用，因此，需以冷卻系統(tǒng)將熱能帶走以冷卻降溫，然而，將會(huì)造成大量 能源的浪費(fèi)，因此，傳統(tǒng)風(fēng)洞裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)成本一向高居不下，半個(gè)多世紀(jì)以來并無改善。而 就傳統(tǒng)風(fēng)洞裝置而言，"熱損失"所消耗的能量約為空氣壓縮機(jī)輸入功的一半（或略大于一 半），g卩，Qcl = l/2XWcps。而在本發(fā)明系統(tǒng)中，并無冷卻裝置，再加上風(fēng)洞裝置絕熱，熱 能均變?yōu)闅饬鲀?nèi)能，無任何熱量損失，因此，Qcl = 0。
[0043] 說明1:傳統(tǒng)風(fēng)洞的能量出入計(jì)算如下： 當(dāng)〇； = 1/2，Wcps= 2Wir+ Qcl 說明2 :本發(fā)明系統(tǒng)的能量出入計(jì)算，用CK = 1/3的實(shí)施例來說明如下： fftb + Netffir + Qcl = ffcps +Qhp CR = 1/3 或 NetWir=l/3XWcps ; Qhp = 3Xffhp ; Qcl = 0 fftb = ffcps + Qhp - Netffir = 2/3Xffcps+ 3Xffhp ffhp = 1/3X (fftb - 2/3Xffcps) ffnet = (fftb) - (ffcps + ffhp )= {(2/3Xffcps) + 3Xffhp} - (ffcps + ffhp)= 2 Xffhp - 1/3 Xffcps energy =ffnet/ ( ffcps + ffhp) = (2 Xffhp -1/3 Xffcps )/( ffhp+ ffcps) 根據(jù)以上公式，可設(shè)定Whp =1/6 XWcps，求得fjenergy= 0;設(shè)定Whp =1/2 Xffcps ，求得 energy= 44. 4% ;設(shè)定 Whp =Wcps ,求得 if energy= 83. 3% ;設(shè)定 Whp =1.33XWcps ,求得 f|energy= 100%。
[0044] 經(jīng)由上述表示：iCK= 1/3,熱泵壓縮機(jī)消耗功大于空氣壓縮機(jī)消耗功的1/6 后，本系統(tǒng)即有正值凈功輸出；當(dāng)(；=1/3，熱泵壓縮機(jī)消耗功等于空氣壓縮機(jī)消耗功的 1. 33倍時(shí)，本系統(tǒng)能源效率為100%。
[0045] 然而，若熱泵馬達(dá)消耗功Whp設(shè)定值太大，風(fēng)洞內(nèi)氣溫偏高，熱泵C0P值會(huì)下降 (此為熱泵特性，即當(dāng)冷熱源兩端溫差加大，C0P值將下降），表示整個(gè)風(fēng)洞系統(tǒng)能源效率 隨之下降；再者，Wcps值變大，風(fēng)洞氣流速度隨之增加，渦輪機(jī)進(jìn)口氣流速度到達(dá)音速M(fèi)ach 1.0時(shí)，會(huì)產(chǎn)生"堵塞"Choke現(xiàn)象，破壞系統(tǒng)正常運(yùn)作，故本發(fā)明的最佳熱泵壓縮機(jī)消耗功 Whp設(shè)定值應(yīng)為： ffcps < ffhp < 1.33Xffcps 艮P :熱泵壓縮機(jī)消耗功設(shè)定值宜在風(fēng)洞壓縮機(jī)消耗功的等值到1. 33倍之間。
[0046] 經(jīng)由上述說明，本發(fā)明對(duì)內(nèi)阻耗能凈值采保守值Net Wir = l/3XWcps (即CK = 1/3)的實(shí)施例，如若更樂觀的估計(jì)，例如：CK= 1/5 *CK = 1/10，則本發(fā)明系統(tǒng)能源效率 JJ energy值將隨之增加，即熱泵壓縮機(jī)消耗功Whp設(shè)定值還可更低，使系統(tǒng)節(jié)能性更佳，從 而使發(fā)電效率更好。
[0047] 其次，謹(jǐn)再提出以下說明，以證明本發(fā)明符合熱力學(xué)的觀點(diǎn)。
[0048] 請(qǐng)參閱圖1所示，其中，風(fēng)洞裝置2內(nèi)部氣流渦輪機(jī)5入口氣流速度設(shè)定約為 MachO. 6-0. 9,根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，在風(fēng)洞裝置2中的氣流經(jīng)漸縮段21時(shí)，壓力、溫度和密 度下降，速度和體積增加；而經(jīng)漸擴(kuò)段23時(shí)，壓力、溫度和密度增加，速度和體積減少。依 此，氣流經(jīng)過本發(fā)明的實(shí)施例時(shí)，壓力-體積（P-V)和溫度-熵（T-S)圖如圖4、圖5所示， 各項(xiàng)參數(shù)的變化分列如下： A-B 段~| B-C 段~| C D-E 段 | E-F 段 | F-G 段^ 壓力 ΔΡ<0 ΔΡ?0~-W^O ΔΡ?0 ΔΡΞ^Ο~ 潖ΔΤ = 0 ΔΤ?0 ΔΤ<0 ΔΤ ? 0 ΔΤ > 0~ 煙 AS = 0 AS > 0 Δ5 = 0 AS > 0 AS = 0 運(yùn)運(yùn)~~Δν>0 ZvT〇 Δν>>0 AV?〇 Δν<〇~ 而如圖6所示為現(xiàn)今全球通用的實(shí)際燃?xì)鉁u輪機(jī)（Actual Gas Turbine，簡(jiǎn)稱AGT)， 圖7和圖8為其壓力-體積（P-V)和溫度-熵（T-S)圖，其各項(xiàng)參數(shù)的變化分列如下： 丨a-b段 | b-c段 | c-d段^丨d-e段 | e-f段 壓力 ilP<0 ΔΡ? 0 iiP<0 ΔΡ? 0 ΔΡ> Ο Δ\〇1_<0 Δ\ ο?. < Ο Δ\〇1.>0 Δ\ ο?. ? Ο Δν〇1._ <0 涵度 ΔΤ= Ο ΔΤ?0 ΔΤ? Ο~~ΔΤ ? Ο ΔΤ>Ο~~ Δ$ = 0 Δ5>0 Δ$ ?0Δ$ >0 Δ$ = 0~ 速度 ΔΥ > Ο Δ\Γ<0 ΔΥ ?0~"Δ\τ? 〇 ΔΥ<〇~ 比較本發(fā)明與現(xiàn)有燃?xì)鉂?rùn)輪機(jī)的理想Brayton循環(huán)(實(shí)線部分，由b、cs、ds和es圍成） 及實(shí)際循環(huán)(虛線部份，由b、ca、da和ea圍成）系統(tǒng)P-V及T-S圖即可發(fā)現(xiàn)本發(fā)明與其實(shí) 際循環(huán)系統(tǒng)相近。而在二者的T-S圖中，圖5的B-C段及E-F段與圖8的b-ca段及da-ea 段兩處?kù)兀‥ntropy，S )的變化均為AS > 0,因此，符合熱力學(xué)第二定律。
[0049] 參見圖1和圖6,其中，當(dāng)氣流通過本發(fā)明B-C段的空氣壓縮機(jī)時(shí)，會(huì)增溫增壓，到 E-F段時(shí)，會(huì)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)和發(fā)電機(jī)以釋出能量，此時(shí)，速度和溫度會(huì)大蝠下降，此與AGT的 b-c段和d-e段相同，但二者在c-d (D-E)段時(shí)的差異甚大，比較如下： 本發(fā)明的D-E段為收縮段，收縮比約在9到12之間，氣流速度在此增加數(shù)倍，溫度微 降，以驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)；而AGT的c-d段為燃燒段，燃油在此注入燃燒，產(chǎn)生超高溫，氣流溫 度和速度大增，驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)以釋出能量。
[0050] 在此c_d (D-E)段，本發(fā)明無燃燒裝置，僅以氣體循環(huán)或排放，不會(huì)產(chǎn)生有害廢 氣；且以經(jīng)過空氣壓縮機(jī)增壓加溫至約100-300°C左右及收縮段加速的氣流以驅(qū)動(dòng)氣流渦 輪機(jī)，氣流通過氣流渦輪機(jī)之后，大幅降溫，氣流渦輪機(jī)出口的氣溫低于空氣壓縮機(jī)進(jìn)口的 溫度。而為避免渦輪機(jī)出口的氣溫低于零度（〇°C )，本發(fā)明在空氣壓縮機(jī)的前方安裝熱泵 (Heat Pump，HP)系統(tǒng)，預(yù)熱進(jìn)入壓縮機(jī)的氣流，以將溫度提升攝氏數(shù)十度，使水汽不再凝 結(jié)。
[0051] 另查熱泵的性能系數(shù)COP (Coefficient of Performance)約為3,即每一單位壓 縮機(jī)工作能量輸入，可得到三單位熱能量輸出（Qhp=3 Whp)，如此一來，經(jīng)由熱泵即可增高 本發(fā)明風(fēng)洞內(nèi)部的氣流溫度，提供更多的熱能以驅(qū)動(dòng)氣流渦輪機(jī)，從而提升整體的能源效 率。
[0052] 上述燃?xì)鉁u輪機(jī)（AGT)的熱源主要是來自于燃燒化石燃料，以產(chǎn)生超過1，000°C 的超高溫，再把數(shù)百攝氏度的高溫有害廢氣排出；而本發(fā)明主要以熱泵代替AGT的燃燒系 統(tǒng)，除了可以提供風(fēng)洞氣流熱能外，熱泵也在風(fēng)洞系統(tǒng)外產(chǎn)生冷源，以供冷氣機(jī)或冷凍機(jī)使 用，使成為本發(fā)明的附屬系統(tǒng)，此亦為本發(fā)明的另一貢獻(xiàn)。
[0053] 請(qǐng)參閱下表所不，為英國(guó) ARA (Aircraft Research Association ，Bedford, England)及法國(guó) 0NERA SIMA 的連續(xù)穿音速風(fēng)洞（Continuous Transonic Wind Tunnels，TWT)的測(cè)試段的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。 空氣密度測(cè)試?yán)w面枳 效系數(shù) 的流速 英國(guó)ARA馬赫1J ^ 0.3 L2Kg m- -'4m <2_44m 馬赫 l 4 連續(xù)穿音速鳳洞 法國(guó) ONERASIMA . 0.3 L2 Kg ur* 4m.<4m 馬赫 1 0 的連續(xù)穿音速潮I 丨 _丨
[0054] 上述兩個(gè)風(fēng)洞被改為本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)依照下列各項(xiàng)修改或規(guī)定： 1. 測(cè)試段截面改為內(nèi)徑圓形，以便納入等圓徑氣流渦輪機(jī)，而渦輪機(jī)輸出功Wtb依下 列公式計(jì)算： Wtb= l/2XaXbXAXV3 三次方 a:渦輪有效系數(shù)；b:空氣密度； A:渦輪葉片掃過的面積； V3 :氣流渦輪機(jī)入口的空氣流速； 為方便計(jì)算，本實(shí)施例采用： a=0. 3 ; b=l. 2 kg/m3 ; A=風(fēng)洞收縮段噴嘴（即測(cè)試段）的截面積（m2) Wtb = 1/2X0. 3X1. 2XAXV3 三次方 2. 為方便計(jì)算，采用：Machl.O =在15°C及1.0大氣壓下的空氣流速為341m/s。假 設(shè)氣流渦輪機(jī)進(jìn)氣溫度T3=200°C，則Machl. 0 =在200°C及1. 0大氣壓下的空氣流速為 436m/s。
[0055] 3.第一例的英國(guó)ARA風(fēng)洞的Whp = L 33XWcps，CK = 1/3 ;第二例的法國(guó)ONERA SIMA風(fēng)洞的Whp = Wcps，CK = 1/3;此兩例的風(fēng)洞皆為隔熱性，故其Qcl = 0。
[0056] 其中，當(dāng)氣流渦輪機(jī)置入英國(guó)ARA風(fēng)洞的測(cè)試段，以形成本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)，且假 設(shè) Whp = 1.33XWcps，CK= 1/3 時(shí)，由于 Wcps=15.8 百萬(wàn)瓦，因此，Whp = 1.33X15.8 = 21.01百萬(wàn)瓦。
[0057] 依 Wtb = 2/3XWcps + 3XWhp = 2/3XWcps + 3X1. 33XWcps 的公式求得： fftb = 2/3X 15.8 + 3X 1.33X 15.8= 10.53+ 63.04= 73. 57MW ； 再依發(fā)電功率的公式計(jì)算： Wtb = 73. 57MW= 1/2X0. 3X1.2XAXCubeV3 ; 求得 V3 = 394m/s 依 Wnet = 2XWhp _l/3XWcps 的公式求得： ffnet= 2X20.01 - 1/3X15.8=40.02 -5.27 = 34. 75MW 此表示英國(guó)ARA風(fēng)洞改裝成為本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，需安裝20. 01麗壓縮機(jī)的熱泵， 系統(tǒng)凈輸出功34. 75麗。而本發(fā)明風(fēng)洞測(cè)試段的風(fēng)速394m/s(MachO. 9)僅為其風(fēng)洞設(shè) 計(jì)最高速M(fèi)achl. 4的64. 3%。理論上，空氣壓縮機(jī)的出力僅為其最大馬力的41. 34%，即 6. 53MW(=15. 8X41. 34%)，因此，當(dāng)空氣壓縮機(jī)輸出為15. 8MW時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)凈輸出功應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn) 大于上值34. 75MW。
[0058] 而依上述計(jì)算結(jié)果，再依Whp = 1. 33XWcps及能源效率的公式計(jì)算求得，1| energy= (2 Xffhp -l/3Xffcps) / (ffhp+ ffcps) = 100%〇
[0059] 另外，當(dāng)氣流渦輪機(jī)置入法國(guó)ONERA SIMA風(fēng)洞的測(cè)試段，以形成本發(fā)明的具體結(jié) 構(gòu)，且假設(shè)Whp = Wcps，CK = 1/3時(shí)，由于Wcps=88百萬(wàn)瓦（MW)，因此，Whp =88百萬(wàn)瓦 (MW)。
[0060] 依 Wtb = 2/3 X Wcps + 3 X Whp 的公式求得： fftb =2/3 Xffcps + 3 Xffcps = 2/3X88 + 3X88= 58.67+264 = 322. 67MW ； 再依發(fā)電功率的公式計(jì)算： fftb = 322. 67MW = 1/2X0. 3X1. 2 XAXCubeV3 ； 求得 V3 = 329 m/s ; 依 Wnet = 2XWhp _l/3XWcps 的公式求得： Wnet=2X88 - 1/3X88 = 146. 7MW; 此表示法國(guó)ONERA SIMA風(fēng)洞改裝成為本發(fā)明的發(fā)電系統(tǒng)時(shí)，需安裝88麗壓縮機(jī)的 熱泵，系統(tǒng)凈輸出功146. 7MW。而本發(fā)明風(fēng)洞測(cè)試段的風(fēng)速329m/s (MachO. 755)僅為其風(fēng) 洞設(shè)計(jì)最高速M(fèi)achl. 0的75. 5%。理論上，空氣壓縮機(jī)的出力僅為其最大馬力的57%，即 50. 16麗(=88X57%)，因此，當(dāng)空氣壓縮機(jī)輸出為88麗時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)凈輸出功應(yīng)大于上值 146. 7MW。
[0061 ] 而依上述計(jì)算結(jié)果，再依Whp = Wcps及能源效率的公式計(jì)算求得， energy=(2Xffhp -1/3Xffcps) / (ffhp+ ffcps) =83. 3%〇
[0062] 通過上述二種不同風(fēng)洞機(jī)型的驗(yàn)證可知，本發(fā)明熱泵壓縮機(jī)消耗功Whp設(shè)定值在 空氣壓縮機(jī)馬達(dá)消耗功Wcps的1. 33倍到等值之間時(shí)，能源效率?| energy可達(dá)約100%至 83%，足以證明本發(fā)明具有實(shí)用性與可行性。
[0063] 再者，下表為將本發(fā)明的實(shí)施例依照法國(guó)ONERA SIMA風(fēng)洞尺寸大小所模擬的發(fā)電 系統(tǒng)，與目前全球陸上型最大的德國(guó)Enercon E126風(fēng)力發(fā)電機(jī)的比較結(jié)果。 本發(fā)明 Enercon E126 尺寸 165m^55m <2Sm 19$5m -：126m '-：26m ~兌重畺 1=000噸 3:500噸 運(yùn)轉(zhuǎn)方式每天24小吋連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 間歇性運(yùn)轉(zhuǎn) 浄能源輸出 146JMW 15MW 能渾重畺l:h 0J46~ K^Vkg 0.00214 KWkg^
[0064] 基于上述比較可知，八個(gè)上述本發(fā)明發(fā)電系統(tǒng)的輸出電力為1，174MW，約相當(dāng)于一 座核能電廠的電力輸出，占地僅為〇. 073平方公里，且能夠每天24小時(shí)持續(xù)不斷發(fā)出完全 清潔的能源電力；相對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，其只能進(jìn)行間歇性的供電，能源重量比很小，建 造成本又高，實(shí)無法與本發(fā)明的系統(tǒng)相比。
[0065] 因此，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明利用風(fēng)洞裝置所形成的文氏管效應(yīng)，使高速的氣流推動(dòng)氣流渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，以 進(jìn)行發(fā)電，因此，不但不會(huì)浪費(fèi)能源，且在發(fā)電過程中，也不會(huì)排放污染物，相當(dāng)符合環(huán)保要 求。
[0066] 2、本發(fā)明以空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生氣流，再使氣流加速，以進(jìn)行發(fā)電，因此，在發(fā)電時(shí)并 不會(huì)受到外在環(huán)境的限制。
[0067] 3、本發(fā)明以加熱元件預(yù)先加熱通過空氣壓縮機(jī)的空氣，使高速氣流驅(qū)動(dòng)氣流渦輪 機(jī)和發(fā)電機(jī)，以輸出電能，因此，不但能使通過空氣壓縮機(jī)的氣流溫度有效提升，以提供充 足的能量，且能有效避免氣流渦輪機(jī)出口因低溫而使水汽凝結(jié)。
[0068] 4、本發(fā)明的風(fēng)洞裝置具有隔熱效果，可將風(fēng)洞裝置內(nèi)阻所轉(zhuǎn)化的熱能做為空氣加 熱之用，因此，能有效降低加熱元件的輸出功，從而提高整體發(fā)電效率。
[0069] 綜上所述，依上文所揭示的內(nèi)容，本發(fā)明確可達(dá)到發(fā)明的預(yù)期目的，提供一種不但 能在不使用風(fēng)力的狀態(tài)下，利用高速的氣流以進(jìn)行發(fā)電，且可讓發(fā)電效率有效提升的風(fēng)洞 式渦輪發(fā)電機(jī)，再者，如本文前述模擬英國(guó)ARA風(fēng)洞暨法國(guó)S1MA風(fēng)洞的大型本發(fā)明發(fā)電系 統(tǒng)，可裝置地?zé)嵩礋岜茫℅round Source Heat Pump, GSHP)，以利用地?zé)峁?yīng)熱能，使熱泵的 C0P值可高達(dá)4至5倍，從而倍增本發(fā)電系統(tǒng)的能源效率，極具產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0070] 以上所述實(shí)施例僅是為充分說明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范 圍不限于此。本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1. 一種風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，包括： 一風(fēng)洞裝置，包括一進(jìn)氣收縮段、一測(cè)試段及一排氣擴(kuò)散段，該進(jìn)氣收縮段及該排氣擴(kuò) 散段分別為收斂形及發(fā)散形，該進(jìn)氣收縮段較細(xì)的一端與該測(cè)試段的前端連接，該排氣擴(kuò) 散段較細(xì)的一端與該測(cè)試段的后端連接； 一空氣壓縮機(jī)，設(shè)于該進(jìn)氣收縮段的前端； 一氣流渦輪機(jī)，設(shè)于該測(cè)試段內(nèi)； 一發(fā)電機(jī)，與氣流渦輪機(jī)連接，供氣流渦輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行發(fā)電；以及 一加熱元件，設(shè)于該空氣壓縮機(jī)的前端，供預(yù)先加熱通過該空氣壓縮機(jī)的空氣。
2. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，還包括一管，該管的后端連接 該進(jìn)氣收縮段的前端，該管的前端連接該排氣擴(kuò)散段的后端。
3. 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該風(fēng)洞裝置及該管設(shè)有至少 一隔熱材料，供阻隔該風(fēng)洞裝置及該管內(nèi)的熱量向外散出。
4. 如權(quán)利要求2所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該風(fēng)洞裝置及該管為一隔熱 材料制成，供阻隔該風(fēng)洞裝置及該管內(nèi)的熱量向外散出。
5. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該空氣壓縮機(jī)、該發(fā)電機(jī)及該 氣流渦輪機(jī)依序排列，且位于同一軸線上。
6. 如權(quán)利要求1所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該加熱元件具有一排熱端，該 排熱端設(shè)于該風(fēng)洞裝置的內(nèi)部。
7. 如權(quán)利要求6所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該排熱端包括多個(gè)并列且分 別呈飛機(jī)機(jī)翼截面形狀的散熱葉片，該多個(gè)散熱葉片分別具有寬端及窄端，且該寬端是以 遠(yuǎn)離空氣壓縮機(jī)的方向由該窄端向前延伸而成。
8. 如權(quán)利要求7所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該多個(gè)散熱葉片分別由導(dǎo)熱 材料所制成，其內(nèi)部中空，且各中空散熱葉片的內(nèi)部相互連通。
9. 如權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的風(fēng)洞式渦輪發(fā)電機(jī)，其特征在于，該加熱元件為一熱 泵，該熱泵還具有一排冷端，該排冷端設(shè)于風(fēng)洞裝置的外部。
【文檔編號(hào)】F02C1/00GK104110307SQ201310138390
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2013年4月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月19日
【發(fā)明者】馮以張 申請(qǐng)人:馮以興, 馮以張