( 範例 ) 長滯空飛船式風光耦合能量收集器

1. (範例) 長滯空飛船式風光耦合能量收集器 學生：李ＯＯ 林ＯＯ 劉ＯＯ 指導老師：戴ＯＯ 學校：高雄市立ＯＯ國中 市場需求 本創作之管式風能收集裝置能有效擷取高空風能，有別於一般之水平及垂直軸式風機。本裝置可放置在高空中、大樓頂部、河流或海洋中。總體而言，本創作為長滯空、結構強、易操作、效率高及低成本，主要利用在在風力發電、綠色能源及風能利用之產業，其裝置主要安裝於空曠地區的高空平面上，其應用市場地區相當廣泛。 . 設計理念 全世界蘊含的風力能量大約為72TW，相當於54000萬噸的燃油能量。高空風能平均密度為16KW/m2，相較於地面邊界層高度的風能平均為1KW/m2，高空的風能密度大了約10幾倍。傳統立柱式風力風電裝置，受限於建築結構，因此高度大多被限制在100公尺左右，然而低空的風能受限於地面邊界層的問題，存有風速不穩定且不連續的問題，且現行風機發展難以再接近貝茲理論曲線，並且存有重量、結構、佔地面積以及噪音等問題。現在也有許多針對高空風能收集裝置被提出，其中不乏有類似風箏及飛船的概念，可以用來收集超越地面邊界層高度的風能，但仍存有控制及扭矩的問題。因此為了達成高空風能的收集，本創作以一長滯空載具搭載管式風能收集裝置，以類似飛船概念在其內部填充氦氣達成滯空目的，並且於此載具之表面積鋪設太陽能集熱板，達到收集高空風能及太陽熱能目的。 創作特徵 本裝置主要是利用彎曲的進口將風向從水平轉為垂直，避免了大部分的反扭矩；而其所衍生的摩擦損失則由改變進出口的外形以及在入口處增加三角翼來彌補。由於流體在管中可經由各種方式來強化其流速、壓差等，因此大幅增強其能量收集的效率。依上述設計理念，不但可克服因高風速回壓及關斷風速之問題、有效收集高空強勁風能及克服強風風阻妨礙長滯空之難題，大幅提升風機風能係數(CP值)，且結構強健、易於操控。 組件說明 本創作為一種長滯空、結構強、易操作、效率高、且低成本的高空風能收集器。包括四項關鍵的構型設計： (1)長滯空飛船載具平台 以類似飛船概念在其內部填充氦氣達成滯空目的，並且於此載具之表面積鋪設太陽能集熱板，達到收集高空風能及太陽熱能目的。 (2)低壓出口導引風能收集器 流道依據航空理論氣體動力學之「噴口面積法則」設計，配合中心之新型壓差式無旋葉風力發電機，尾部利用階梯狀設計產生角渦(corner vortex)與分離泡(separation bubble)合成之低壓區導引塔內氣流排出，預估可CP值可達50% 。 (3)抗風阻逆向升力翼帆 考量長滯空載具地面與空中連繫之纜繩之拉力負荷，採用帆船逆風前進之概念，載具之翼端設置機帆(wing sail)，以產生升力逆向抵消風阻。 (4)新式無扇葉壓差式風力發電機 考量無論垂直或水平風機之發電原理均由風能經旋葉轉動作能量轉換機械能，故於轉換過程中必需損失大量氣動力，利用航空理論氣體動力學之「噴口面積法則」設計一流道，產生高低壓差自轉之無旋葉風力發電機，減少帶動旋葉轉動之氣動力損失，同時減少因旋葉造成之風阻，即可大幅提升風機效率。 Jetstream, online school for weather, National weather Service, http://www.srh.weather.gov/jetstream/global/jet.htm