風(fēng)電技術(shù)

ontent">新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)

　　針對(duì)目前眾多網(wǎng)友對(duì)新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（H型）的設(shè)計(jì)原理比較感興趣，特在此將部分設(shè)計(jì)原理以及技術(shù)指標(biāo)作詳細(xì)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(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種圓弧形雙葉片的結(jié)構(gòu)（Φ型或稱為達(dá)里厄），由于其受風(fēng)面積小，相應(yīng)的啟動(dòng)風(fēng)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(duì)一些朋友問及：為何當(dāng)初采用Φ型設(shè)計(jì)而沒有用現(xiàn)在這種H型結(jié)構(gòu)?實(shí)際上，這和科技的發(fā)展特別是電腦的發(fā)展密切相關(guān)的，由于H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)需要非常大量的空氣洞力學(xué)計(jì)算以及數(shù)字模擬計(jì)算，采用人工的方法計(jì)算一次至少需要幾年的時(shí)間，而且不是一次計(jì)算就能得到正確的結(jié)果，所以在計(jì)算機(jī)還不是很發(fā)達(dá)的年代，人們根本無法完成這一設(shè)計(jì)構(gòu)思。

　　由于特殊應(yīng)用場(chǎng)合的需要，2001年我國率先開始了這項(xiàng)研究，并且在以后兩年的時(shí)間里不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，在2003年初，產(chǎn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)為主要設(shè)備的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。

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

技術(shù)原理

　　下面我就詳細(xì)講解一下H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的技術(shù)原理：

　　該技術(shù)采用空氣洞力學(xué)原理，針對(duì)垂直軸旋轉(zhuǎn)的風(fēng)洞模擬，葉片選用了飛機(jī)翼形形狀，在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，它不會(huì)受到因變形而改變效率等；它用垂直直線4-5個(gè)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(fēng)輪，由風(fēng)輪帶動(dòng)稀土永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電送往控制器進(jìn)行控制，輸配負(fù)載所用的電能。

　　該技術(shù)原理根據(jù)空氣片條理論，實(shí)際計(jì)算可選取垂直風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的切面進(jìn)行計(jì)算模型，按葉片實(shí)際尺寸，每個(gè)葉片的旋轉(zhuǎn)軸心距離為N米；用CFD技術(shù)進(jìn)行模擬氣動(dòng)系數(shù)計(jì)算，計(jì)算原理采用離散數(shù)字方法求解翼形斷面的氣動(dòng)力，用網(wǎng)格方法對(duì)雷諾數(shù)流動(dòng)渦量分布比較形成高雷諾數(shù)下對(duì)Navier-Stokes方程進(jìn)行數(shù)字模擬計(jì)算的原理結(jié)果。

　　采用稀土永磁材料發(fā)電的原理，配套與空氣洞力學(xué)原理的風(fēng)輪，采用直驅(qū)式結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

　　專利技術(shù)：一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)（專利號(hào)：ZL200420081310.2）

功率特性

　　根據(jù)H型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的原理，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)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(yīng)變快，發(fā)電曲線變得飽滿（如下圖）。在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的額定風(fēng)速較現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)要小，并且它在低風(fēng)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)電量也較大。

結(jié)構(gòu)

　　由于此種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)采用了特殊空氣洞力學(xué)原理、三角形向量法的連接方式以及直驅(qū)式結(jié)構(gòu)的原理，使得風(fēng)輪的受力主要集中于輪轂上，因此抗風(fēng)能力較強(qiáng)；此種設(shè)計(jì)的特性還體現(xiàn)在對(duì)周圍環(huán)境的影響上，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)無噪音以及電磁干擾小等特點(diǎn)使得新型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)越性非常明顯。

　　垂直軸直線葉片永磁發(fā)電機(jī)風(fēng)力發(fā)電電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　附：現(xiàn)有垂直軸風(fēng)力發(fā)電電源比較：

　　目前，生產(chǎn)該類型垂直軸風(fēng)力發(fā)電電源系統(tǒng)產(chǎn)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(chǎn)品在風(fēng)輪設(shè)計(jì)當(dāng)中采用平行連接桿，這種方式對(duì)發(fā)電機(jī)輸出軸要求較高，并且結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)安裝程序也偏多。另外，從力學(xué)方面分析，H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率越大、葉片越長(zhǎng)、平行桿的中心點(diǎn)與發(fā)電機(jī)軸的中心點(diǎn)距離越長(zhǎng)，抗風(fēng)能力就越差，因此，MUCE采取的是三角形向量法，彌補(bǔ)了上述的一些缺點(diǎn)。

風(fēng)機(jī)葉片

　　風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵核心

　　風(fēng)力機(jī)部件，其良好的設(shè)計(jì)、可靠的質(zhì)量和優(yōu)越的性能是保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的決定因素。我國風(fēng)機(jī)葉片行業(yè)的發(fā)展是伴隨著風(fēng)電產(chǎn)業(yè)及風(fēng)電設(shè)備行業(yè)的發(fā)展而發(fā)展起來的。由于起步較晚，我國風(fēng)機(jī)葉片最初主要是依靠進(jìn)口來滿足市場(chǎng)需求的。隨著國內(nèi)企業(yè)和科研院所的共同努力，我國風(fēng)機(jī)葉片行業(yè)的供給能力迅速提升。

　　目前，我國風(fēng)機(jī)葉片市場(chǎng)已經(jīng)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(nèi)企業(yè)以時(shí)代新材、中材科技、中航惠騰、中復(fù)連眾為代表。截至到2008年5月，中國境內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組葉片廠商共有31家。其中，已經(jīng)進(jìn)入批量生產(chǎn)階段的公司有10家。2008年，已經(jīng)批量生產(chǎn)的葉片公司生產(chǎn)能力為460萬千瓦。預(yù)計(jì)2010年，這些葉片公司全部進(jìn)入批量生產(chǎn)階段后，綜合生產(chǎn)能力將達(dá)到900萬千瓦。

風(fēng)能技術(shù)的劃分

　　風(fēng)能技術(shù)分為大型風(fēng)電技術(shù)和中小型風(fēng)電技術(shù)，雖然都屬于風(fēng)能技術(shù)，工作原理也相同，但是卻屬于完全不同的兩個(gè)行業(yè)。具體表現(xiàn)在：政策導(dǎo)向不同、市場(chǎng)不同、應(yīng)用領(lǐng)域不同、應(yīng)用技術(shù)更是不同，完全屬于同種產(chǎn)業(yè)中的兩個(gè)行業(yè)。因此，在中國風(fēng)力機(jī)械行業(yè)會(huì)議上已經(jīng)把大型風(fēng)電和中小型風(fēng)電區(qū)分出來分別對(duì)待。此外，為滿足市場(chǎng)不同需求，延伸出來的風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)不僅推動(dòng)了中小型風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，還為中小型風(fēng)電開辟了新的市場(chǎng)。

　　大型風(fēng)電技術(shù)

　　我國大型風(fēng)電技術(shù)與國際還有一定差距。大型風(fēng)電技術(shù)起源于丹麥、荷蘭等一些歐洲國家，由于當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源豐富，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)受到政府的助推，大型風(fēng)電技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展在國際上遙遙領(lǐng)先。目前我國政府也開始助推大型風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，并出臺(tái)一系列政策引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。大型風(fēng)電技術(shù)都是為大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)的，而大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用區(qū)域?qū)Νh(huán)境的要求十分嚴(yán)格，都是應(yīng)用在風(fēng)能資源豐富而資源有限的風(fēng)場(chǎng)上，常年接受各種各樣惡劣環(huán)境考研。環(huán)境的復(fù)雜多變性，對(duì)技術(shù)的高度要求就直線上升。目前國內(nèi)大型風(fēng)電技術(shù)普遍還不成熟，大型風(fēng)電的核心技術(shù)仍然依靠國外，國家政策的引導(dǎo)使國內(nèi)的風(fēng)電項(xiàng)目迅猛在各地上馬，都期望能借此分得一杯羹。名副其實(shí)的“瘋電”借著政策的東風(fēng)開始燎原之勢(shì)。雖然風(fēng)電項(xiàng)目紛紛上馬，但多為配套類型，完全擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型風(fēng)電系統(tǒng)技術(shù)和核心技術(shù)少之又少。還需經(jīng)歷幾年環(huán)境考驗(yàn)的大型風(fēng)電技術(shù)才能逐漸成熟。此外，大型風(fēng)電技術(shù)中發(fā)電并網(wǎng)的技術(shù)還在完善，一系列的問題還在制約大型風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展。

　　中小型風(fēng)電技術(shù)

　　我國中小型風(fēng)電技術(shù)可以與國際相媲美。在本世紀(jì)70年代中小型風(fēng)電技術(shù)在我國風(fēng)況資源較好的內(nèi)蒙、新疆一帶就已經(jīng)得到了發(fā)展。最初中小型風(fēng)電技術(shù)被廣泛應(yīng)用在送電到鄉(xiāng)的項(xiàng)目，為一家一戶的農(nóng)牧民家用供電。隨著技術(shù)的更新不斷的完善與發(fā)展，不僅能單獨(dú)應(yīng)用還能與光電組合互補(bǔ)，已被廣泛應(yīng)用于分布式獨(dú)立供電。這些年來隨著我國中小型風(fēng)電出口的穩(wěn)步提升，在國際上，我國的中小型風(fēng)電技術(shù)和風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)已躍居國際領(lǐng)先地位。

　　中小型風(fēng)電技術(shù)成熟受自然資源限制相對(duì)較小，作為分布式獨(dú)立發(fā)電效果顯著。不僅可以并網(wǎng)，而且還能結(jié)合光電形成更穩(wěn)定可靠的風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)，況且技術(shù)完全自主國產(chǎn)化。無論從技術(shù)還是價(jià)格在國際上都十分具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)在在國際上已打響了中小型風(fēng)電的中國品牌。在國內(nèi)最具技術(shù)優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)力的中小型風(fēng)力發(fā)電一直是被政府和政策遺忘的一個(gè)角落。究其原因，在早期國家一直把中小型風(fēng)力發(fā)電定位到內(nèi)蒙、新疆等偏遠(yuǎn)地區(qū)農(nóng)牧民使用且歸入農(nóng)機(jī)類，價(jià)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(nèi)市場(chǎng)大多都在喪失可靠性的前提下大打價(jià)格戰(zhàn)，在人們潛意識(shí)里形成較差的認(rèn)識(shí)，因此得不到國家的重視和發(fā)展。

　　目前國內(nèi)中小型風(fēng)電的技術(shù)中“低風(fēng)速啟動(dòng)、低風(fēng)速發(fā)電、變槳矩、多重保護(hù)等等”一系列技術(shù)得到國際市場(chǎng)的矚目和國際客戶的一致認(rèn)可，已處于國際領(lǐng)先地位。況且中小型風(fēng)電技術(shù)最終是為滿足分布式獨(dú)立供電的終端市場(chǎng)，而非如大型風(fēng)電技術(shù)是滿足發(fā)電并網(wǎng)的國內(nèi)壟斷性市場(chǎng)，技術(shù)的更新速度必須適應(yīng)廣闊而快速發(fā)展的市場(chǎng)需求。

　　風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)

　　風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)整合了中小型風(fēng)電技術(shù)和太陽能技術(shù)，綜合了各種應(yīng)用領(lǐng)域的新技術(shù)，其涉及的領(lǐng)域之多、應(yīng)用范圍之廣、技術(shù)差異化之大，是各種單獨(dú)技術(shù)所無法比擬的。

　　風(fēng)能和太陽能是目前全球在新能源利用方面技術(shù)最成熟、最具規(guī)模化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的行業(yè)，單獨(dú)的風(fēng)能和單獨(dú)的太陽能都有其開發(fā)的弊端，而風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電兩者互補(bǔ)性的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了兩種新能源在自然資源的配置方面、技術(shù)方案的整合方面、性能與價(jià)格的對(duì)比方面都達(dá)到了對(duì)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(kuò)大了市場(chǎng)的應(yīng)用范圍，還提高了產(chǎn)品的可靠性。

　　此外，太陽能和風(fēng)能同屬新能源，太陽能比風(fēng)能起步要晚的多。太陽能光伏發(fā)電30元/瓦左右的價(jià)格受到大眾認(rèn)可，可是轉(zhuǎn)換效率僅有15%左右;中小型風(fēng)力發(fā)電的價(jià)格僅為同等功率的1/5-1/6時(shí)，轉(zhuǎn)換效率卻有60%-80%，如此低的價(jià)格更有甚者還在壓低。光電生產(chǎn)過程中對(duì)環(huán)境造成的污染遠(yuǎn)大于風(fēng)電，卻比風(fēng)電能得到長(zhǎng)足的發(fā)展，這樣的對(duì)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(fēng)能的成本要比太陽能經(jīng)濟(jì)許多。

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

風(fēng)電技術(shù)發(fā)展需要不斷創(chuàng)新

　　目前，我國風(fēng)能發(fā)展中技術(shù)創(chuàng)新還很薄弱，缺乏有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。因此，在很大程度上還要從國外引進(jìn)技術(shù)。雖然，在知識(shí)經(jīng)濟(jì)到來的時(shí)代，所有國家都充分利用全球資源，通過技術(shù)引進(jìn)和國際合作來縮小差距，提高競(jìng)爭(zhēng)能力。但是，如果沒有自主創(chuàng)新能力，就不知道引進(jìn)什么先進(jìn)技術(shù)，引進(jìn)以后也沒有能力消化吸收，更不能進(jìn)行再創(chuàng)新。另一方面，國外的核心技術(shù)是引進(jìn)不來的，必須靠自主創(chuàng)新來掌握核心技術(shù)。再者，國內(nèi)的自主創(chuàng)新技術(shù)需要政策給予配套、引導(dǎo)、扶持，擁有核心技術(shù)的風(fēng)能產(chǎn)品要加大扶持力度，這樣“墻內(nèi)開花墻外香”的局面才能得以改變，創(chuàng)新的動(dòng)力才能來自不斷的創(chuàng)新。