风电技术

新型垂直轴风力发电机

　　针对目前众多网友对新型垂直轴风力发电机（H型）的设计原理比较感兴趣，特在此将部分设计原理以及技术指标作详细地阐述，希望能给各位朋友予以更深入地了解。

　　最早的垂直轴风力发电机是一种圆弧形双叶片的结构（Φ型或称为达里厄），由于其受风面积小，相应的启动风速较高，一直未得到大力发展，我国也在前几年做了一些尝试，但效果始终不理想。针对一些朋友问及：为何当初采用Φ型设计而没有用现在这种H型结构?实际上，这和科技的发展特别是电脑的发展密切相关的，由于H型垂直轴风力发电机的设计需要非常大量的空气洞力学计算以及数字模拟计算，采用人工的方法计算一次至少需要几年的时间，而且不是一次计算就能得到正确的结果，所以在计算机还不是很发达的年代，人们根本无法完成这一设计构思。

　　由于特殊应用场合的需要，2001年我国率先开始了这项研究，并且在以后两年的时间里不断对产品进行改进，在2003年初，产品走向成熟，并在海岛以及边疆大量采用以这种新型垂直轴风力发电机为主要设备的风光互补系统。

　　目前，世界上主要以MUCE公司和日本某公司为该产品的主要研发和生产单位。

技术原理

　　下面我就详细讲解一下H型垂直轴风力发电机的技术原理：

　　该技术采用空气洞力学原理，针对垂直轴旋转的风洞模拟，叶片选用了飞机翼形形状，在风轮旋转时，它不会受到因变形而改变效率等；它用垂直直线4-5个叶片组成，由4角形或5角形形状的轮毂固定、连接叶片的连杆组成的风轮，由风轮带动稀土永磁发电机发电送往控制器进行控制，输配负载所用的电能。

　　该技术原理根据空气片条理论，实际计算可选取垂直风机旋转轴的切面进行计算模型，按叶片实际尺寸，每个叶片的旋转轴心距离为N米；用CFD技术进行模拟气动系数计算，计算原理采用离散数字方法求解翼形断面的气动力，用网格方法对雷诺数流动涡量分布比较形成高雷诺数下对Navier-Stokes方程进行数字模拟计算的原理结果。

　　采用稀土永磁材料发电的原理，配套与空气洞力学原理的风轮，采用直驱式结构进行旋转发电。

　　专利技术：一种风力发电机（专利号：ZL200420081310.2）

功率特性

　　根据H型风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线变得饱满（如下图）。在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。

结构

　　由于此种设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强；此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。

　　垂直轴直线叶片永磁发电机风力发电电源系统结构图

　　附：现有垂直轴风力发电电源比较：

　　目前，生产该类型垂直轴风力发电电源系统产品最多的是日本（2002年开始研究），还有英国、加拿大等国目前也在研制中，这些国家的大部分产品在风轮设计当中采用平行连接杆，这种方式对发电机输出轴要求较高，并且结构相对复杂，现场安装程序也偏多。另外，从力学方面分析，H型垂直轴风力发电机功率越大、叶片越长、平行杆的中心点与发电机轴的中心点距离越长，抗风能力就越差，因此，MUCE采取的是三角形向量法，弥补了上述的一些缺点。

风机叶片

　　风机叶片是风力发电技术进步的关键核心

　　风力机部件，其良好的设计、可靠的质量和优越的性能是保证机组正常稳定运行的决定因素。我国风机叶片行业的发展是伴随着风电产业及风电设备行业的发展而发展起来的。由于起步较晚，我国风机叶片最初主要是依靠进口来满足市场需求的。随着国内企业和科研院所的共同努力，我国风机叶片行业的供给能力迅速提升。

　　目前，我国风机叶片市场已经形成外资企业、民营企业、研究院所、上市公司等多元化的主体投资形式。外资企业主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等，国内企业以时代新材、中材科技、中航惠腾、中复连众为代表。截至到2008年5月，中国境内的风电机组叶片厂商共有31家。其中，已经进入批量生产阶段的公司有10家。2008年，已经批量生产的叶片公司生产能力为460万千瓦。预计2010年，这些叶片公司全部进入批量生产阶段后，综合生产能力将达到900万千瓦。

风能技术的划分

　　风能技术分为大型风电技术和中小型风电技术，虽然都属于风能技术，工作原理也相同，但是却属于完全不同的两个行业。具体表现在：政策导向不同、市场不同、应用领域不同、应用技术更是不同，完全属于同种产业中的两个行业。因此，在中国风力机械行业会议上已经把大型风电和中小型风电区分出来分别对待。此外，为满足市场不同需求，延伸出来的风光互补技术不仅推动了中小型风电技术的发展，还为中小型风电开辟了新的市场。

　　大型风电技术

　　我国大型风电技术与国际还有一定差距。大型风电技术起源于丹麦、荷兰等一些欧洲国家，由于当地风能资源丰富，风电产业受到政府的助推，大型风电技术和设备的发展在国际上遥遥领先。目前我国政府也开始助推大型风电技术的发展，并出台一系列政策引导产业发展。大型风电技术都是为大型风力发电机组设计的，而大型风力发电机组应用区域对环境的要求十分严格，都是应用在风能资源丰富而资源有限的风场上，常年接受各种各样恶劣环境考研。环境的复杂多变性，对技术的高度要求就直线上升。目前国内大型风电技术普遍还不成熟，大型风电的核心技术仍然依靠国外，国家政策的引导使国内的风电项目迅猛在各地上马，都期望能借此分得一杯羹。名副其实的“疯电”借着政策的东风开始燎原之势。虽然风电项目纷纷上马，但多为配套类型，完全拥有自主知识产权的大型风电系统技术和核心技术少之又少。还需经历几年环境考验的大型风电技术才能逐渐成熟。此外，大型风电技术中发电并网的技术还在完善，一系列的问题还在制约大型风电技术的发展。

　　中小型风电技术

　　我国中小型风电技术可以与国际相媲美。在本世纪70年代中小型风电技术在我国风况资源较好的内蒙、新疆一带就已经得到了发展。最初中小型风电技术被广泛应用在送电到乡的项目，为一家一户的农牧民家用供电。随着技术的更新不断的完善与发展，不仅能单独应用还能与光电组合互补，已被广泛应用于分布式独立供电。这些年来随着我国中小型风电出口的稳步提升，在国际上，我国的中小型风电技术和风光互补技术已跃居国际领先地位。

　　中小型风电技术成熟受自然资源限制相对较小，作为分布式独立发电效果显著。不仅可以并网，而且还能结合光电形成更稳定可靠的风光互补技术，况且技术完全自主国产化。无论从技术还是价格在国际上都十分具有竞争优势，现在在国际上已打响了中小型风电的中国品牌。在国内最具技术优势和竞争力的中小型风力发电一直是被政府和政策遗忘的一个角落。究其原因，在早期国家一直把中小型风力发电定位到内蒙、新疆等偏远地区农牧民使用且归入农机类，价格低廉、粗制滥造、性能可靠度低、安全无保障、使用地多为人烟稀少区，国内市场大多都在丧失可靠性的前提下大打价格战，在人们潜意识里形成较差的认识，因此得不到国家的重视和发展。

　　目前国内中小型风电的技术中“低风速启动、低风速发电、变桨矩、多重保护等等”一系列技术得到国际市场的瞩目和国际客户的一致认可，已处于国际领先地位。况且中小型风电技术最终是为满足分布式独立供电的终端市场，而非如大型风电技术是满足发电并网的国内垄断性市场，技术的更新速度必须适应广阔而快速发展的市场需求。

　　风光互补技术

　　风光互补技术整合了中小型风电技术和太阳能技术，综合了各种应用领域的新技术，其涉及的领域之多、应用范围之广、技术差异化之大，是各种单独技术所无法比拟的。

　　风能和太阳能是目前全球在新能源利用方面技术最成熟、最具规模化和产业化发展的行业，单独的风能和单独的太阳能都有其开发的弊端，而风力发电和太阳能发电两者互补性的结合实现了两种新能源在自然资源的配置方面、技术方案的整合方面、性能与价格的对比方面都达到了对新能源的综合利用最合理，不但降低了满足同等需求下的单位成本，而且扩大了市场的应用范围，还提高了产品的可靠性。

　　此外，太阳能和风能同属新能源，太阳能比风能起步要晚的多。太阳能光伏发电30元/瓦左右的价格受到大众认可，可是转换效率仅有15%左右;中小型风力发电的价格仅为同等功率的1/5-1/6时，转换效率却有60%-80%，如此低的价格更有甚者还在压低。光电生产过程中对环境造成的污染远大于风电，却比风电能得到长足的发展，这样的对比反差耐人沉思。如果从人们用能的角度考虑，最终是为了满足用电，从发电量来衡量风能的成本要比太阳能经济许多。

　　风光互补整合了太阳能和风能优势，不仅为“节能、减排”开辟了新的天地，而且以应用科学来满足人类需求方面，为世界进入第四次革命打开了新的一页。

风电技术发展需要不断创新

　　目前，我国风能发展中技术创新还很薄弱，缺乏有自主知识产权的核心技术。因此，在很大程度上还要从国外引进技术。虽然，在知识经济到来的时代，所有国家都充分利用全球资源，通过技术引进和国际合作来缩小差距，提高竞争能力。但是，如果没有自主创新能力，就不知道引进什么先进技术，引进以后也没有能力消化吸收，更不能进行再创新。另一方面，国外的核心技术是引进不来的，必须靠自主创新来掌握核心技术。再者，国内的自主创新技术需要政策给予配套、引导、扶持，拥有核心技术的风能产品要加大扶持力度，这样“墙内开花墙外香”的局面才能得以改变，创新的动力才能来自不断的创新。