風電技術

ontent">新型垂直軸風力發(fā)電機

　　針對目前眾多網友對新型垂直軸風力發(fā)電機（H型）的設計原理比較感興趣，特在此將部分設計原理以及技術指標作詳細地闡述，希望能給各位朋友予以更深入地了解。

　　最早的垂直軸風力發(fā)電機是一種圓弧形雙葉片的結構（Φ型或稱為達里厄），由于其受風面積小，相應的啟動風速較高，一直未得到大力發(fā)展，我國也在前幾年做了一些嘗試，但效果始終不理想。針對一些朋友問及：為何當初采用Φ型設計而沒有用現在這種H型結構?實際上，這和科技的發(fā)展特別是電腦的發(fā)展密切相關的，由于H型垂直軸風力發(fā)電機的設計需要非常大量的空氣洞力學計算以及數字模擬計算，采用人工的方法計算一次至少需要幾年的時間，而且不是一次計算就能得到正確的結果，所以在計算機還不是很發(fā)達的年代，人們根本無法完成這一設計構思。

　　由于特殊應用場合的需要，2001年我國率先開始了這項研究，并且在以后兩年的時間里不斷對產品進行改進，在2003年初，產品走向成熟，并在海島以及邊疆大量采用以這種新型垂直軸風力發(fā)電機為主要設備的風光互補系統(tǒng)。

　　目前，世界上主要以MUCE公司和日本某公司為該產品的主要研發(fā)和生產單位。

技術原理

　　下面我就詳細講解一下H型垂直軸風力發(fā)電機的技術原理：

　　該技術采用空氣洞力學原理，針對垂直軸旋轉的風洞模擬，葉片選用了飛機翼形形狀，在風輪旋轉時，它不會受到因變形而改變效率等；它用垂直直線4-5個葉片組成，由4角形或5角形形狀的輪轂固定、連接葉片的連桿組成的風輪，由風輪帶動稀土永磁發(fā)電機發(fā)電送往控制器進行控制，輸配負載所用的電能。

　　該技術原理根據空氣片條理論，實際計算可選取垂直風機旋轉軸的切面進行計算模型，按葉片實際尺寸，每個葉片的旋轉軸心距離為N米；用CFD技術進行模擬氣動系數計算，計算原理采用離散數字方法求解翼形斷面的氣動力，用網格方法對雷諾數流動渦量分布比較形成高雷諾數下對Navier-Stokes方程進行數字模擬計算的原理結果。

　　采用稀土永磁材料發(fā)電的原理，配套與空氣洞力學原理的風輪，采用直驅式結構進行旋轉發(fā)電。

　　專利技術：一種風力發(fā)電機（專利號：ZL200420081310.2）

功率特性

　　根據H型風力發(fā)電機的原理，風輪的轉速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它的發(fā)電功率上升速度也相應變快，發(fā)電曲線變得飽滿（如下圖）。在同樣功率下，垂直軸風力發(fā)電機的額定風速較現有水平軸風力發(fā)電機要小，并且它在低風速運轉時發(fā)電量也較大。

結構

　　由于此種設計結構采用了特殊空氣洞力學原理、三角形向量法的連接方式以及直驅式結構的原理，使得風輪的受力主要集中于輪轂上，因此抗風能力較強；此種設計的特性還體現在對周圍環(huán)境的影響上，運轉時無噪音以及電磁干擾小等特點使得新型垂直軸風力發(fā)電機優(yōu)越性非常明顯。

　　垂直軸直線葉片永磁發(fā)電機風力發(fā)電電源系統(tǒng)結構圖

　　附：現有垂直軸風力發(fā)電電源比較：

　　目前，生產該類型垂直軸風力發(fā)電電源系統(tǒng)產品最多的是日本（2002年開始研究），還有英國、加拿大等國目前也在研制中，這些國家的大部分產品在風輪設計當中采用平行連接桿，這種方式對發(fā)電機輸出軸要求較高，并且結構相對復雜，現場安裝程序也偏多。另外，從力學方面分析，H型垂直軸風力發(fā)電機功率越大、葉片越長、平行桿的中心點與發(fā)電機軸的中心點距離越長，抗風能力就越差，因此，MUCE采取的是三角形向量法，彌補了上述的一些缺點。

風機葉片

　　風機葉片是風力發(fā)電技術進步的關鍵核心

　　風力機部件，其良好的設計、可靠的質量和優(yōu)越的性能是保證機組正常穩(wěn)定運行的決定因素。我國風機葉片行業(yè)的發(fā)展是伴隨著風電產業(yè)及風電設備行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。由于起步較晚，我國風機葉片最初主要是依靠進口來滿足市場需求的。隨著國內企業(yè)和科研院所的共同努力，我國風機葉片行業(yè)的供給能力迅速提升。

　　目前，我國風機葉片市場已經形成外資企業(yè)、民營企業(yè)、研究院所、上市公司等多元化的主體投資形式。外資企業(yè)主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等，國內企業(yè)以時代新材、中材科技、中航惠騰、中復連眾為代表。截至到2008年5月，中國境內的風電機組葉片廠商共有31家。其中，已經進入批量生產階段的公司有10家。2008年，已經批量生產的葉片公司生產能力為460萬千瓦。預計2010年，這些葉片公司全部進入批量生產階段后，綜合生產能力將達到900萬千瓦。

風能技術的劃分

　　風能技術分為大型風電技術和中小型風電技術，雖然都屬于風能技術，工作原理也相同，但是卻屬于完全不同的兩個行業(yè)。具體表現在：政策導向不同、市場不同、應用領域不同、應用技術更是不同，完全屬于同種產業(yè)中的兩個行業(yè)。因此，在中國風力機械行業(yè)會議上已經把大型風電和中小型風電區(qū)分出來分別對待。此外，為滿足市場不同需求，延伸出來的風光互補技術不僅推動了中小型風電技術的發(fā)展，還為中小型風電開辟了新的市場。

　　大型風電技術

　　我國大型風電技術與國際還有一定差距。大型風電技術起源于丹麥、荷蘭等一些歐洲國家，由于當地風能資源豐富，風電產業(yè)受到政府的助推，大型風電技術和設備的發(fā)展在國際上遙遙領先。目前我國政府也開始助推大型風電技術的發(fā)展，并出臺一系列政策引導產業(yè)發(fā)展。大型風電技術都是為大型風力發(fā)電機組設計的，而大型風力發(fā)電機組應用區(qū)域對環(huán)境的要求十分嚴格，都是應用在風能資源豐富而資源有限的風場上，常年接受各種各樣惡劣環(huán)境考研。環(huán)境的復雜多變性，對技術的高度要求就直線上升。目前國內大型風電技術普遍還不成熟，大型風電的核心技術仍然依靠國外，國家政策的引導使國內的風電項目迅猛在各地上馬，都期望能借此分得一杯羹。名副其實的“瘋電”借著政策的東風開始燎原之勢。雖然風電項目紛紛上馬，但多為配套類型，完全擁有自主知識產權的大型風電系統(tǒng)技術和核心技術少之又少。還需經歷幾年環(huán)境考驗的大型風電技術才能逐漸成熟。此外，大型風電技術中發(fā)電并網的技術還在完善，一系列的問題還在制約大型風電技術的發(fā)展。

　　中小型風電技術

　　我國中小型風電技術可以與國際相媲美。在本世紀70年代中小型風電技術在我國風況資源較好的內蒙、新疆一帶就已經得到了發(fā)展。最初中小型風電技術被廣泛應用在送電到鄉(xiāng)的項目，為一家一戶的農牧民家用供電。隨著技術的更新不斷的完善與發(fā)展，不僅能單獨應用還能與光電組合互補，已被廣泛應用于分布式獨立供電。這些年來隨著我國中小型風電出口的穩(wěn)步提升，在國際上，我國的中小型風電技術和風光互補技術已躍居國際領先地位。

　　中小型風電技術成熟受自然資源限制相對較小，作為分布式獨立發(fā)電效果顯著。不僅可以并網，而且還能結合光電形成更穩(wěn)定可靠的風光互補技術，況且技術完全自主國產化。無論從技術還是價格在國際上都十分具有競爭優(yōu)勢，現在在國際上已打響了中小型風電的中國品牌。在國內最具技術優(yōu)勢和競爭力的中小型風力發(fā)電一直是被政府和政策遺忘的一個角落。究其原因，在早期國家一直把中小型風力發(fā)電定位到內蒙、新疆等偏遠地區(qū)農牧民使用且歸入農機類，價格低廉、粗制濫造、性能可靠度低、安全無保障、使用地多為人煙稀少區(qū)，國內市場大多都在喪失可靠性的前提下大打價格戰(zhàn)，在人們潛意識里形成較差的認識，因此得不到國家的重視和發(fā)展。

　　目前國內中小型風電的技術中“低風速啟動、低風速發(fā)電、變槳矩、多重保護等等”一系列技術得到國際市場的矚目和國際客戶的一致認可，已處于國際領先地位。況且中小型風電技術最終是為滿足分布式獨立供電的終端市場，而非如大型風電技術是滿足發(fā)電并網的國內壟斷性市場，技術的更新速度必須適應廣闊而快速發(fā)展的市場需求。

　　風光互補技術

　　風光互補技術整合了中小型風電技術和太陽能技術，綜合了各種應用領域的新技術，其涉及的領域之多、應用范圍之廣、技術差異化之大，是各種單獨技術所無法比擬的。

　　風能和太陽能是目前全球在新能源利用方面技術最成熟、最具規(guī)?；彤a業(yè)化發(fā)展的行業(yè)，單獨的風能和單獨的太陽能都有其開發(fā)的弊端，而風力發(fā)電和太陽能發(fā)電兩者互補性的結合實現了兩種新能源在自然資源的配置方面、技術方案的整合方面、性能與價格的對比方面都達到了對新能源的綜合利用最合理，不但降低了滿足同等需求下的單位成本，而且擴大了市場的應用范圍，還提高了產品的可靠性。

　　此外，太陽能和風能同屬新能源，太陽能比風能起步要晚的多。太陽能光伏發(fā)電30元/瓦左右的價格受到大眾認可，可是轉換效率僅有15%左右;中小型風力發(fā)電的價格僅為同等功率的1/5-1/6時，轉換效率卻有60%-80%，如此低的價格更有甚者還在壓低。光電生產過程中對環(huán)境造成的污染遠大于風電，卻比風電能得到長足的發(fā)展，這樣的對比反差耐人沉思。如果從人們用能的角度考慮，最終是為了滿足用電，從發(fā)電量來衡量風能的成本要比太陽能經濟許多。

　　風光互補整合了太陽能和風能優(yōu)勢，不僅為“節(jié)能、減排”開辟了新的天地，而且以應用科學來滿足人類需求方面，為世界進入第四次革命打開了新的一頁。

風電技術發(fā)展需要不斷創(chuàng)新

　　目前，我國風能發(fā)展中技術創(chuàng)新還很薄弱，缺乏有自主知識產權的核心技術。因此，在很大程度上還要從國外引進技術。雖然，在知識經濟到來的時代，所有國家都充分利用全球資源，通過技術引進和國際合作來縮小差距，提高競爭能力。但是，如果沒有自主創(chuàng)新能力，就不知道引進什么先進技術，引進以后也沒有能力消化吸收，更不能進行再創(chuàng)新。另一方面，國外的核心技術是引進不來的，必須靠自主創(chuàng)新來掌握核心技術。再者，國內的自主創(chuàng)新技術需要政策給予配套、引導、扶持，擁有核心技術的風能產品要加大扶持力度，這樣“墻內開花墻外香”的局面才能得以改變，創(chuàng)新的動力才能來自不斷的創(chuàng)新。