风机广义热力循环探究及其推论

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【摘 要】分析探究了风的形成和风机的结构，从热力学角度出发，并结合流体力学的相关知识，建立了广义风机循环热力学模型，并得出了在其他客观情况基本相同的情况下，越靠近温度搞的地方，风机做工能力越强的结论，对建立风机场地的选取具有一定的理论指导意义。

【关键词】风机循环模型；风机场地选取

1、风的形成

水平气压梯度力是形成风的直接原因。理解风的根本成因，先要弄清一个关键的概念：气压。空气分子时时刻刻都在运动，并和周边物体发生碰撞。气压可以定义为：在一个给定区域内，空气分子在该区域施加的压力大小。一般而言，在其他条件相同的情况下，体积一定的区域空气分子存在越多，这个区域的气压就越大。总之，风是气压梯度力作用的结果。气压的变化往往是地表受热不均引起的，有些是在一定的水平区域上，风是由大气分子被迫从气压相对较高的地带流向低气压地带引起的。

风就是空气产生运动的外在表现形式，主要是由于地球上各纬度所接受的太阳辐射强度不同而形成的。在赤道和低纬度地区，太阳高度角大，日照时间长，太阳辐射强度强，地面和大气接受的热量多、温度较高；再高纬度地区太阳高度角小，日照时间短，地面和大气接受的热量小，温度低。这种高纬度与低纬度之间的温度差异，形成了南北之间的气压梯度，使空气作水平运动，风应沿水平气压梯度方向吹，即垂直与等压线从高压向低压吹。

地球在自转，使空气水平运动发生偏向的力，称为地转偏向力，这种力使北半球气流向右偏转，南半球向右偏转，所以地球大气运动除受气压梯度力外，还要受地转偏向里的影响。大气真实运动是这两力综合影响的结果。

地面风在很大程度上受海洋、地形的影响，不同的下垫面对风也有影响，如城市、森林、冰雪覆盖地区等都有相应的影响。光滑地面或摩擦小的地面使风速增大，粗糙地面使风速减小等。本文研究的是理想风场，即地面因素忽略不考虑。

总结起来，从热力学角度来看，气压的大小往往与分子运动的速度有关，而温度往往是分子所具有动能的量度。风是因为温度的不同造成的空气对流现象。

2、风力发电

风的形成乃是空气流动的结果。风能利用形成主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他形式的能。风力发电则是把风能转化为电能。

风是一种潜力很大的新能源，目前全世界每年燃烧煤所获得的能量，只有风力在一年内所提供能量的三分之一。因此，国内外都很重视利用风力来发电，开发新能源。

铁塔是支承风轮、尾舵和发电机的构架。它一般修建得比较高，为的是获得较大的和较均匀的风力，又要有足够的强度。铁塔高度视地面障碍物对风速影响的情况，以及风轮的直径大小而定，一般在6-20米范围内。

风力发电的原理，是利用风力带动风车叶片旋转，再透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。依据目前的风车技术，大约是每秒三公尺的微风速度（微风的程度），便可以开始发电。 风力发电正在世界上形成一股热潮，为风力发电没有燃料问题，也不会产生辐射或空气污染。

一般说来，3级风就有利用的价值。但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。可见风力愈大，经济效益也愈大。

总的概括起来，风力发电机其实就是一个把风能以轴功输出并将其转化为电能的装置。

3、广义循环的探究

假设现有相邻的A、B两地，A地接受到的太阳辐射能高，B地接受到的太阳辐射能低，那么A地的的温度就会高于B地。按照风的形成原理，在A、B两地之间就会形成风。我们在形成风的地方，安装风力发电机。

为了使问题能够研究，我们做一下简化。

为了便于研究，忽略重力和地球的自转。这样我们就可以把形成风的过程看作一个工程热力问题。

假设，A地温度为T1，B地温度为T2。当T1-T2Tw时，就会形成风。其中Tw为形成风的最小温差。

当形成风后，B地冷空气流向A地，使A地温度降低，当T1-T2Tw时，风就会停止。

空气的构成包括：氮分子（占空气总体积的78%）、氧分子（约占 21%）、水蒸气和其他微量成分。为了便于研究，我们将空气中的水蒸气和其他微量成分忽略掉，认为空气是由氮分子（占空气总体积的78%）、氧分子（约占21%）组成的均匀物质。我们取这样的空气为工质。

很显然单单考虑接近地面空气的流动，这显然是一个开口系。由于空气对流，A地的空气还是会对流到B地的这样就构成了一个闭口系。

工质在A地对流层上层的温度为T1，压强为p1，比体积为v1。在A地对流层的上层的经过多变过程1（放热、膨胀、降温――）流到到B地对流层的上层时，温度为T2，压强为p2，比体积为v2。在B地等容放热，流到B地的对流层下层温度达到T3，压强为p3，比体积为v3。在对流层的下层，经过绝能等熵、流动到A地对流层下层时达到T4，压强为p4，比体积为v4。在A地经过等容吸热，对流到上层时状态为：温度为T1，压强为p1，比体积为v1。这样就构成了一个循环。我们称这个循环为风机标准动力循环。

，这个与实际情况不符。这是由于我们在建立循环的时候为了简便，把3-4过程看做了等熵流动，其实它与重力以及地球的自旋有关。

4、风机标准动力循环的应用

利用风机标准动力循环可以更好的利用风能。为更好的利用风能做出技术指导。例如，由3的图，可以得出1-2过程的可利用风能比3-4过程的可利用风能多。所以风机1比风机2发的电量大。同时可以由循环图可以知道，在越靠近高温热源的地方（其它情况相同），做工能力越大。