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提要：1、技術背景；2、工作原理；3、裝置構造；4、應用領域；
5、商業(yè)模式；6、經濟和社會效益；7、團隊介紹。
一、技術背景
替代能源的需求：我們暫不考慮石油、煤炭、天然氣作為能源被消耗后對地球造成什么影響，單就使用成本而言，把石油、煤炭、天然氣作為能源使用已不再便宜。因為人類對自然資源的開發(fā)總是先易后難，石油、煤炭、天然氣的開采成本將越來越高，市場價格也會水漲船高，尋找更便宜的能源不僅是政府戰(zhàn)略，更是市場行為。
在已知的替代能源中，風電最為理想。風能資源豐富，分布廣泛；風力發(fā)電，環(huán)境友好，是最容易實現(xiàn)大規(guī)模利用的可再生清潔能源。但因風能的不穩(wěn)定性，品位低，風力機發(fā)出的電力波動大，風大時多發(fā)電，風小時少發(fā)電，無風時不發(fā)電，這樣的電源很難滿足用戶的要求。再加上目前電網的調峰能力有限，風電并網困難，并網的風電機也常常因電網不能接納而棄風。 解決之道就是風電存儲。目前風車式風力發(fā)電機沒有儲能功能，風電存儲需要借助其它設施，如抽水電站、大型蓄電池等，但抽水電站對地理環(huán)境要求嚴格，適合建設抽水電站的地點很少，且建設成本巨大，甚至超過風能發(fā)電站本身；而大型蓄電池的建設、維護費用同樣巨大且儲能效率低。因此，研發(fā)大容量、低成本、高適應性的風電存儲技術是發(fā)展風電的當務之急。
節(jié)能減排的需要：石油、煤炭、天然氣、生物質等含碳能源仍然是當今世界主要的能源，雖然我們還不能斷言CO2就是導致全球氣候變化的罪魁禍首，但這些含碳物質燃燒后產生的廢氣、灰塵對環(huán)境、生態(tài)的破壞是確定的，市民對汽車尾氣的痛恨而又無奈，居民對垃圾焚燒電廠的抗議阻撓，這都表明我們不能用燃燒的方式來獲取能源。誠然，社會的存在和發(fā)展需要能源的支持，今天的我們不能沒有電，也不能沒有汽車、飛機，我們只能尋找清潔的能源，清潔的發(fā)電方式，清潔的電動交通工具，清潔的生產和生活方式。人類經過幾十萬年的進化，已從火的時代發(fā)展到電的時代，我們可以保留對火的崇拜，但不應延續(xù)用火的生產和生活方式。節(jié)能減排同樣需要清潔的發(fā)電、用電技術。
二、工作原理
說到發(fā)電，大家很容易就聯(lián)想到磁鐵、硅鋼片、銅導線，好像離開了這些材料，發(fā)電機就造不出來。其實，不需要這些材料，也能生產出強大的電力。在自然界中，這種現(xiàn)象普遍存在，比如閃電，大氣的某種運動就能產生電荷，并儲存起來，等聚集到一定程度就以閃電的方式釋放出來。這種電能的產生、儲存、釋放是周而復始的，億萬年來，生生不息。
人們擔心石油用完了怎么辦，煤炭用完了怎么辦，其實這種擔心是多余的，能源在這個宇宙里有的是，在地球上也是無窮無盡的。可再生清潔能源的開發(fā)利用應該效法自然。
儲能型風力發(fā)電機就是這樣一種效法自然的發(fā)電、儲電裝置。
在自然界中，龍卷風雖然不常見，但人們對它的印象特別深刻，原因是龍卷風太可怕了，遇上它如同遇上了魔鬼。為什么龍卷風具有如此強大的破壞力？它的能量從何而來？分析龍卷風的形成機制對風能開發(fā)很有幫助。不過，儲能型風力發(fā)電機的研發(fā)靈感并不來自龍卷風，而是水力發(fā)電，龍卷風的形成機制只是佐證了儲能型風力發(fā)電機的技術可行性。
風力發(fā)電與水力發(fā)電存在相似之處，它們都是利用流體的動能發(fā)電。水力發(fā)電總是先建大壩，抬高水位，蓄水成庫，這實際上是一個聚能、儲能的過程，然后才通過水輪機發(fā)電，鮮有將水輪機直接放在河流中發(fā)電。相比之下，風力發(fā)電的模式就有些讓人費解，因為風車是直接放在空中發(fā)電的，沒有了聚能、儲能的過程，從而導致風力發(fā)電效率低，品質差，并網難。如果風力發(fā)電也有聚能、儲能的過程，風電的那些缺陷就不復存在。根據這樣的思路，我們研發(fā)出一種儲能型的風力發(fā)電機。
我們知道，高速旋轉的飛輪是可以存儲能量的，但受材料強度、結構尺寸的限制，飛輪儲能容量有限，并且隨著存儲時間的延長，能量損失加大，所以飛輪不適合大容量、長時間的能量存儲。而這些缺陷是源于飛輪的剛體屬性，如果飛輪是柔體－－氣旋，那么飛輪儲能就會出現(xiàn)新機。儲能型風力發(fā)電機就是將柔體飛輪－－氣旋與風力發(fā)電機完美融合，而產生的具有聚能、儲能、發(fā)電功能的風力機。
那么，柔體飛輪－－氣旋是怎樣儲能的呢？
飛輪是以旋轉的動能形式來儲能的，由于慣性，有旋轉就有離心，且轉速越高，離心力越大，所以剛體飛輪對構成材料的強度要求苛刻，而剛體材料的強度是有極限的，這就限制了剛體飛輪儲能容量的提高。而柔體飛輪－－氣旋則不存在強度問題，因為氣旋除了受慣性離心力的作用外，還受氣壓梯度力的作用，而氣壓梯度力是向心的。那么向心的氣壓梯度力是怎么產生的呢？原來，氣旋的離心力導致氣旋核心區(qū)域的氣體密度減小，氣壓降低，趨向真空。這樣一來，氣旋的外部氣壓高于內部氣壓，從而產生向心的氣壓梯度力，氣旋的轉速越高，離心力越大，氣旋核心的真空度越高，向心的氣壓梯度力越大，從而保證氣旋不會解體。又由于氣旋產生真空，形成氣壓梯度，即勢能，風的動能轉化為勢能，起到儲能作用。所以，儲能型風力發(fā)電機的儲能表現(xiàn)為風能以旋轉動能和真空勢能的形式儲存起來。當然，儲能型風力發(fā)電機僅依靠旋轉動能和真空勢能還是遠遠不夠的，還得與電磁儲能相結合，協(xié)同達到儲能的目的。
另外，氣旋還有一個重要特性，是剛體飛輪所不具有的，那就是加速特性。氣旋是一個有心力體系，外力矩等于零。根據角動量守恒原理，一個轉動的物體，它的旋轉速度如果不受外力矩作用，即外力矩等于零，那么它的角動量就不會因物體的形狀的變化而變化，即角動量守恒。根據角動量守恒計算公式，氣旋的旋轉半徑減小，氣旋的轉速增大。因此，氣旋外部的氣體進入氣旋內部，半徑減小，速度會增大，從而加強了儲能效果。
儲能型風力發(fā)電機集聚能、儲能、發(fā)電于一體，同一臺機器，既是發(fā)電機，又是儲能器。它將自然風轉換為高速旋轉的氣旋，自然界的風驅動的是風電機的氣旋，氣旋以旋轉動能、真空勢能、電磁能的形式將風能存儲起來，再由氣旋驅動發(fā)電機發(fā)電。儲能型風力發(fā)電機發(fā)出的電是高壓直流電。這就是儲能型風力發(fā)電機的工作原理。
下面我們來分析龍卷風的形成機制，以佐證儲能型風力發(fā)電機的技術可行性。
龍卷風是空氣在流體力學、電磁學原理作用下形成的能量聚集體，龍卷風是帶負電荷的近似管狀的空氣渦旋。
第一步積雨云帶電。云帶電的機制比較復雜。這里不作討論。
第二步正負電荷分離。一般認為，正負電荷在重力的作用下發(fā)生分離，正電荷在積雨云的上部，負電荷在積雨云的下部。
第三步產生渦旋磁場。正負電荷的分離導致積雨云內部的靜電場發(fā)生變化（增強），從而感應出渦旋磁場（增強的環(huán)形磁場）。
第四步產生感應電流。變化的渦旋磁場使帶電的積雨云內部某一區(qū)域發(fā)生旋轉（類似感應電動機），并使電荷沿渦旋磁場垂直方向移動（形成電流），電流方向是向上的，即正電荷向積雨云上部移動，負電荷向積雨云下部移動，與重力分離電荷的方向一致。這是一個正反饋過程，其結果是在積雨云內部形成一個圓柱狀的帶電氣旋。
第五步產生磁場。圓柱狀的帶電氣旋相當于一個通電螺線管，在旋轉軸區(qū)域產生磁場。由于圓柱氣旋的上部帶正電，下部帶負電，上下部所產生的磁場正好排斥，導致圓柱氣旋在積雨云里不斷生長（伸長）。又由于流體力學原理，旋轉產生離心，圓柱氣旋逐漸向圓筒氣旋演變，旋轉軸區(qū)域形成低壓區(qū)。而電磁學原理使圓筒氣旋的上下端口形成磁塞（磁鏡效應），使軸區(qū)的低壓得以維持。在大氣壓和磁收縮的共同作用下，圓筒氣旋的直徑減小，向管狀氣旋演變。氣旋的動能有一部分以磁能的形式儲存起來。
第六步形成漏斗狀氣旋。管狀氣旋不斷沿軸向生長，向上生長因重力和正電荷的排斥而受到限制，向下生長雖受負電荷的排斥，但重力可部分抵消，管狀氣旋最終向下伸出積雨云，形成漏斗狀氣旋。
第七步形成龍卷風。管狀氣旋一旦向下伸出積雨云，管狀氣旋會快速下探，因為一方面積雨云上部的正電荷與管狀氣旋的上端口的正電荷產生排斥，積雨云下部的負電荷對上端口的正電荷的吸引；另一方面重力作用。當管狀氣旋的上端口接近積雨云的下部時，正負電荷發(fā)生放電，渦旋電流減小，但根據電磁學原理，氣旋儲存的磁能釋放使渦旋電流得到補償，氣旋轉速不受影響。至此龍卷風形成。通常所指的龍卷風就是管狀氣旋的下部帶負電荷的氣旋。
第八步龍卷風的死亡。由于空氣是電介質，龍卷風攜帶的負電荷不易傳導流失，在端口周圍的空氣被氣旋端口的負電荷電場極化而形成準等離子體，磁鏡效應使這些離子化的空氣難以進入龍卷風內部，使龍卷風軸心區(qū)域維持低壓或真空。真空的存在使氣旋在流體力學上得以維持旋轉。但當龍卷風的下端口觸及水面或地面，這種維持就遭到破壞。
當龍卷風的下端口觸及水面時，因為水是導體，下端口的負電荷被傳導離去，相應的磁塞作用也就消失，水被吸入龍卷風，這就是龍吸水。當龍卷風的下端口觸及地面，因為大地也是導體，下端口的負電荷也被傳導離去，磁塞作用消失，地面上的物體包括空氣被吸入龍卷風，造成破壞。
但是龍卷風一旦吸入空氣、水等物體后，內部的低壓不再維持，當內外氣壓平衡時，龍卷風也就解體了。
從上面的分析中可以看出，龍卷風最基本的特征是存在低壓或真空區(qū)，在自然狀態(tài)下龍卷風要維持一個低壓或真空區(qū)，龍卷風至少具備三個條件：空氣渦旋、氣旋帶電、形成磁塞。地面上常見的旋風為什么沒有進一步發(fā)展為龍卷風，原因是旋風不帶電，無法維持旋風軸心的低壓或真空區(qū)；海面上的臺風是強烈的空氣渦旋，氣旋雖然也帶有電荷，但臺風沒有形成有效的磁場，不存在磁塞，臺風內部不存在低壓或真空區(qū)，所以臺風相比較龍卷風，破壞力要小。
儲能型風力發(fā)電機不是人造龍卷風發(fā)電，只是應用了相同的物理原理。
三、裝置構造
儲能型風力發(fā)電機主要由三部分組成：聚能組件、儲能組件、發(fā)電組件。聚能組件由若干導風板和上下蓋板組成的圓筒體，上（下）蓋板留有排風口，自然風經導風板以切線方向吹入，其作用是將自然風轉換為氣旋；儲能組件由中軸和氣旋組成，中軸上均勻安裝若干葉片，氣旋推動葉片帶動中軸同步旋轉，風能以旋轉動能、真空勢能、電磁能的形式存儲起來；發(fā)電組件就是與中軸同軸運轉的發(fā)電機。
當然，根據不同的應用場合，其結構會有所變化。
四、應用領域
1、風能發(fā)電；2、電網儲能；3、電動交通；4、海水淡化
五、商業(yè)模式
儲能型風力發(fā)電機的商業(yè)模式是與應用領域相聯(lián)系的，不同的應用場合對應著不同的商業(yè)模式。下面介紹的商業(yè)模式可供投資商參考。
1、陸上風電－－風電住房：利用儲能型風力發(fā)電機能與建筑物融為一體，且對風場要求不高的特性，設計的一種商業(yè)模式。
風電住房是一種能夠實現(xiàn)商業(yè)化風能發(fā)電的住房。在屋頂上安裝個風力發(fā)電機，是不能稱其為風電住房的，因為風電機的功率太小，發(fā)出的電沒有商業(yè)價值。所以風電住房是一個風力發(fā)電廠，同時也是一個儲能站。另外，為了增加風電住房的可操作性，風電住房應是公益性的，零房價，開發(fā)商的利潤來自風電收益。
關于風電住房的具體操作，請參看“風電住房－－城市化的最佳模式”一文，這里不再重述。
2、海上風電－－海水淡化：利用儲能型風力發(fā)電機在工作中形成的低壓，讓海水減壓蒸發(fā)，獲得淡水，而風力發(fā)電不受影響。
我國很多沿海城市特別是北方城市嚴重缺水，為此國家不得不跨流域大規(guī)模調水，像北京、天津、青島、大連這些沿海城市完全可通過海水淡化來解決淡水資源缺乏的問題。這些缺水的沿海城市為什么舍近求遠，關鍵就是海水淡化的成本過高。
近來有人提出引渤海水入內蒙、甘肅、新疆，以解決水資源的匱乏對當地經濟的制約和生態(tài)恢復。其實，只要將海水改為淡化水，調入大西北，這個方案沒有風險。不過，話又說回來，如果華北平原的生產和生活用水取自渤海、黃海的淡化水，那么陜西、甘肅、寧夏、內蒙、新疆就可以直接在黃河上游、海河上游取水，何必千里迢迢來海邊取水呢？
儲能型風力發(fā)電機與海水淡化相結合，可以解決海上風電和海水淡化的高成本問題。這里需要指明的是海水淡化不影響風力發(fā)電。具體操作可以本著誰投資誰受益的原則，電力公司、自來水廠可以在海邊建造這種風電機，用電大戶、用水大戶也可以在海邊建造這種風電機，生產出的電力和淡水可以自用，也可以按各方都能接受的價格賣給電網和水網。
儲能型風力發(fā)電機的海水淡化工藝流程如下：在風電塔的附近海域設置若干具有過濾功能的成排浮筒，浮筒上口插入虹吸管，虹吸管與風電塔底部的蒸發(fā)室相通。由于儲能型風力發(fā)電機在工作時會產生低壓，浮筒內的海水被虹吸噴射入蒸發(fā)室，蒸發(fā)室內的海水減壓蒸發(fā)，水蒸汽被風電機抽吸到風電塔的頂部，經過冷凝變成淡水。另外，海風中也含有水汽，進入風電塔后也會冷凝成淡水。由于風電塔具有一定的高度，塔頂部形成的淡水會自流而下，不需要泵送。蒸發(fā)室內的低溫濃縮海水可以直接排放到海面上，在海浪、潮汐、陽光的作用下被稀釋。上述海水淡化方法有以下優(yōu)點：1、整個過程使用的是風力，不需要外部動力；2、減壓蒸發(fā)淡化海水，吸收海水熱量，而海水熱量又來自太陽，不需人為加熱；3、巧用風電塔，使淡化水自流輸送；4、風力發(fā)電照常進行。
我國華北平原的海拔不超過100米，只要風電塔高于100米，淡化水就可以通過地下管道網，自流遍及整個華北平原。如果淡化水能夠保證華北平原的用水，那么南水北調的水、黃河上游的水、海河上游的水就可以送往大西北缺水地區(qū)。
當然，如果海面結冰，上述淡化方法就不能用了。這時可采用海冰淡化獲得淡水。
3、動力電池－－電動交通：利用儲能型風力發(fā)電機的儲能特性和在工作中產生的強磁場，開發(fā)新型的電動交通工具。
儲能型風力發(fā)電機可以設計成動力電池，安裝在電動汽車上，各方面性能都遠遠超過鋰電池。不過需要指明的是，這種動力電池存儲的是高壓直流電，而目前普遍使用的化學電池是低壓直流電，所以電動系統(tǒng)需要重新設計。我個人的觀點是電動汽車的發(fā)展前景不大，未來的交通工具應該是電動飛行器。因為電動汽車解決不了交通擁堵問題。
利用儲能型風力發(fā)電機在工作中產生的強磁場，可以設計出一種電動飛行器，其飛行原理與直升機相似，不過它無需螺旋槳。有趣的是，這種電動飛行器的外形以飛碟形狀為最佳，也許飛碟也是利用這種原理飛行的。
如果將儲能型風力發(fā)電機安裝在遠洋輪船上，就能實現(xiàn)輪船的風電驅動。也許有人會疑問，風電機安裝在輪船上，增加了阻力，無法獲得有效的驅動力。根據牛頓力學原理，這個疑問不無道理。風車式的風電機是阻擋型的，風電機獲得的動力不足以抵消風的阻力，還有水的阻力，所以，風車式的風電機安裝在輪船上是無驅動作用的。而儲能型風電機是內吸型的，風是被吸入風電機的，風對風電機所產生的阻力遠小于驅動力，儲能型風電機能夠在輪船上形成有效的驅動力。
4、電網儲能－－直流電網：如果將眾多的儲能型風力發(fā)電機串聯(lián)起來，就形成了具有儲能調峰功能的直流電網。儲能型風力發(fā)電機具有大容量、低成本、高適應性的優(yōu)點，非常適合電網儲能。但是，儲能型風力發(fā)電機儲存的是高壓直流電，而目前的電網是交流電，這就需要交直流轉換。如果是直流電網，則可省略交直流轉換，不但節(jié)約了設備成本，還提高了電網運行的效率和安全性。
而實際上，交流電現(xiàn)在已經越來越不好用了。我們知道，電子產品用的都是直流電，這些產品連接到公共電網上，都要經過整流器。在家用電器中，使用交流電的產品越來越少，照明的白熾燈被節(jié)能燈、LED燈取代，空調、冰箱、洗衣機采用了變頻調速電機，而變頻的第一步就是把交流電變成直流電。在工業(yè)電動領域，直流調速比交流調速更容易，效率更高。
在電力輸送中，高壓直流電比高壓交流電，線路損耗更少、成本更低。三峽電廠送往上海的電力就采用了直流輸電。在未來的超導輸電技術中，也傾向于直流輸電。儲能型風力發(fā)電機發(fā)出的是高壓直流電，與未來的電網技術相符合。
現(xiàn)在的公共電網之所以采用交流電，大概有兩個方面的原因。一是電源原因，由于發(fā)電機發(fā)出的是交流電，變壓器又能方便地實現(xiàn)電壓變換，白熾燈、異步電機這些不計較能效的廉價產品的大量使用，鞏固了交流電網的地位；二是歷史原因，交流電網一旦形成，更改的難度很大，原有的設備將被淘汰，根據交流電設計的電氣產品需要改造。但現(xiàn)在，這些阻力正在變小，節(jié)能減排實施力度的加大，智能電網的升級換代，太陽能光伏發(fā)電等直流電源的增多，電子化電氣產品的普及，直流電網取代交流電網的時機日趨成熟。
實際上，儲能型風力發(fā)電機也可以當作水力發(fā)電機使用，在超大功率上，更有優(yōu)勢。大家知道，三峽電廠安裝的是70萬千瓦發(fā)電機，當時我國不具有這方面的生產技術，只得采用以市場換技術，花費巨資進口。制造這種巨型發(fā)電機，工藝要求很高，材料用量很大，價格自然也就很貴。如果采用儲能型風力發(fā)電機，成本會大幅降低，而性能更好。例如，發(fā)出的高壓直流電與直流輸電方案一致，省略了交直流變換站。又如，降溫對電機來說極其重要，像這種巨型發(fā)電機，一旦降溫出現(xiàn)問題，價值幾千萬的發(fā)電機就會很快燒毀而報廢。而儲能型風力發(fā)電機不存在降溫問題。
六、經濟和社會效益
1、目前的火電成本約是4000元人民幣/千瓦，水電約是5000～6000元/千瓦，風電是8000元以上/千瓦，海上風電2萬元以上/千瓦，核電是火電的2～3倍，太陽能光伏是火電的5～10倍，而儲能型風電機的風電成本是2000～3000元/千瓦。不但成本低，而且沒有火電的溫室氣體排放、水電的移民、大風車的視覺和噪聲污染、核電的核廢料處理等諸多問題。
2、儲能型風力發(fā)電機與住房結合，將產生巨大的經濟和社會效益。一座風電住房，其風電裝機容量可達50萬千瓦，年發(fā)電10億度電以上，同時還能提供4萬套（
一座風電住房的風電裝機為50萬千瓦，1萬座風電住房的風電裝機總容量為50億千瓦，年發(fā)電量在10萬億千瓦時以上。相比較，我國目前的電力裝機總容量約9億千瓦，而美國約10億千瓦；2009年我國全社會用電量3.643萬億千瓦時。
3、儲能型風力發(fā)電機作為儲能器應用于交通工具，將徹底改變交通現(xiàn)狀。不要以為電動汽車是城市交通的救星，電動汽車解決不了城市擁堵問題，電動飛行器才是我們所需要的交通工具。儲能型風力發(fā)電機的儲能機制能夠實現(xiàn)人類的自由飛行。
將儲能型風力發(fā)電機安裝在輪船上，就實現(xiàn)了海上風能發(fā)電，為輪船提供動力，這比純粹的海上風能發(fā)電要實用得多，節(jié)能減排的意義更大。
4、目前，海水淡化的成本在5～6元/噸，成本主要在于能耗和設備。儲能型風力發(fā)電機與海水淡化聯(lián)用，電力和淡水的雙重收益可以有效減輕成本的壓力。
5、儲能型風力發(fā)電機的投資規(guī)?？纱罂尚?，但以制造大型風電機為好。目前，上萬千瓦的風電機不但市場上沒有，廠家也很難造出來，原因是風輪葉片很難承受如此之大的功率；但對于儲能型風力發(fā)電機而言，大功率正是它的優(yōu)勢。如果投資規(guī)模在5000萬元以上，可以實現(xiàn)年產5萬千瓦儲能型風電機10臺，每臺利潤1000萬元以上。
七、團隊介紹
汪宏正，安徽巢湖人，68年出生，高中學歷。常年在外打工，在江浙一帶居多。從事電動自行車行業(yè)十幾年。從學徒工到技術員，再到廠長，靠的是對工作的熱情，事業(yè)的執(zhí)著。期間申請過兩個發(fā)明專利。“利用垃圾和污水制取氫的方法”（申請?zhí)柺?/span>02137993.9，公開號是CN1468799A）由于沒有及時繳納相關費用，導致專利失效。“開關磁阻電機的磁極結構”（申請?zhí)柺?/span>200610050232.3，公開號是CN1848621A）這是職務發(fā)明。“儲能型風力發(fā)電機”是今年5月20日由金華裕陽知識產權代理有限公司代理申請的，申請?zhí)柺?/span>201020201327.2，審查通過的通知我已收到，年內可拿到證書。
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聯(lián) 系 人：汪宏正（儲能型風力發(fā)電機的發(fā)明人）
