芜湖市委书记詹夏来:垂直轴风力发电机是未来风电的发展方向

垂直轴风力发电机是未来风电的发展方向

    随着科技的飞速发展和人类生活水平的日益提高，能源消耗与日俱增，致使传统能源日渐枯竭，而且环境污染也相当严重。风能是一种无污染的可再生能源，它取之不尽、用之不竭，随着生态环境的要求和能源的需要，风能作为清洁的新能源得到人们的重视。

    风力发电机就是利用风能为动力的发电装置，它充分利用自然能，即节能又环保。

    风力发电机因风速不稳定，故其输出的电压变化很大，须经充电器整流稳压后，再对蓄电瓶充电，使风力发电机产生的电能变成化学能。然后通过有保护电路的逆变电源，把电瓶里的化学能转变成交流220V市电，才能保证正常使用。

    其工作过程是：风——风叶——发电机——充电器——蓄电池——逆变电源——电网。

    虽然风力发电有很多优点，但存在一个根本问题，是我们无法回避的：成本！为此，风电成本高一直是影响风电产业发展最大制约因素，风电成本主要取决于风电机组的成本和维护成本。

    风电虽然不烧煤，但是初始投资大。由于风电设备造价要大大高于火电，火电设备建设成本每千瓦约4000元—5000元，风电则为8000元—10000元。而风电的年等效利用小时又小于火电，因此在不考虑环境等外部效益的情况下，同火电相比，风电的成本其实并不低。根据有关部门的统计，在现有条件下，风力发电的平均成本在0.60元/度左右，如果采用进口设备，则需要更高的电价，因为风电机组进口设备的售价要比国内设备高出30%，而设备成本占到了发电成本的80%，由于设备过于依赖进口，直接导致我国风电成本上升。而目前火电的平均成本仅为0.30元/度，风电的竞争劣势显而易见。相比于火电、水电等传统电力能源，其成本缺乏竞争力。所以风电虽无污染、能再生，是十分理想的清洁而又可持续发展的能源，却无法大力推广。

降低成本、提高发电效率、增加寿命一直是风电技术所追求的目标。为此，合理的选择机型至关重要。

    根据机型风力发电机可分为两类：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。然而目前广泛使用大型水平轴风力发电机存在很多不足。为了更好地利用风能，合理的选择机型。现就水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机优劣做一下比较：

    一、从结构分析：1、水平轴风力发电机。由于风力发电机是随风变化的，因此发出的电时有时无，电压和频率不稳定，是没有实际应用价值的。风小时，不发电。狂风吹来，又使风轮越转越快，系统就会被吹跨。为了解决这些问题，水平轴风力增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等装置。

    （1）、齿轮箱可以将很低的风轮转速（大型的风机通常为27转/分）变为很高的发电机转速（通常为1500转/分）。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。

    （2）、偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向，风轮沿水平轴旋转，以便产生动力。为此，机舱要在水平面360度旋转，随时跟风，达到“迎风”目的。要知道，大型的风机机舱总重几十多吨，使这样一个系统随时对准主风向也有相当的技术难度。这个调节系统包含有风向检测、角位移发送、角位移跟踪闭环电力拖动系统。

    （3）、变桨矩系统，水平轴风轮机当风速变化时,为了调节转速，要有浆距调节系统，风轮的叶片要围绕根部的中心轴旋转，以便适应不同的风况。停机系统，叶片尖部要甩出，以便形成阻尼。即在风载荷下转动浆叶一个角度。此扭矩非常大，只有用液压系统才行。这个闭环调节系统精度高，液压系统液体在冬季要有防冻措施，以防失灵。该系统价格贵、维护难。

    （4）、液压系统就是用于调节叶片桨矩、阻尼、停机、刹车等状态下使用。

    （5）、控制系统是风力发电机的神经中枢。就大型风机而言，一般在4米/秒左右的风速自动启动，在14米/秒左右发出额定功率。然后，随着风速的增加，一直控制在额定功率附近发电，直到风速达到25米/秒时自动停机。风机的控制系统，要在这样恶劣的条件下，根据风速、风向对系统加以控制，在稳定的电压和频率下运行，自动地并网和脱网。并监视齿轮箱、发电机的运行温度，液压系统的油压，对出现的任何异常进行报警，必要时自动停机。

    2、垂直轴风力机无需对风，不存在偏航功率损失；叶片设计简单，完全可以自主设计；机舱和齿轮箱可置于风轮下或地面，维修费用更低；垂直轴风力机的噪音比水平轴更小，噪声污染降低；此外，试验室研究表明其风能利用系数不低于水平轴。垂直轴风轮机不要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风，主轴永远向设计方向转动。

    二、从力学角度分析：叶片是风电机的“心脏”，叶片的性能直接关系到风电机的性能。

    1、水平轴风力发电机：现有水平轴风力发电机叶片是参照直升飞机的螺旋桨设计的，属于高风速叶片。这种叶片结构相似悬臂梁，叶片上受到正面风载荷力和离心力，会使根部产生很大弯矩的应力，大量事故都是叶片根部折断。为此，这种叶片强刚性能要求很高，造价高昂，MW级风电机叶片非常巨大，在高风速状态产生强风载，风载的强度很惊人，造成的后果就是大幅提高塔架和机组的强度和成本，造成风电机的强烈振动，造成机械和疲劳损坏，还容易形成冲击电流，影响并网的稳定性。

    2、垂直轴风轮机，叶片两头与轴固定，它的形状不是由叶片的刚度来保证的。叶片是柔性的，转轴旋转后无弯矩应力。叶片只受拉应力，用料少、寿命长，不易折断。

    所以，叶片性能是造成风电机高昂成本的主要因素，也是造成故障和高额维护费的主要因素，我们要降低风电机成本、提高发电效率就必须改善叶片性能。

    三、系统稳定性分析：

    1、水平轴风机的机仓放置在高高的塔顶，而且是一个可旋转360度的活动联接机构，自身重达十几吨至几十吨，叶片上随机风载荷达几十吨，重心高、不稳定、易翻倒。由于高位放置安装，维护不便。

    2、垂直轴风力发电机的发电机、齿轮箱放在底部，重心低、稳定、维护方便。由于塔架低矮，降低了成本。

    总结上述：水平轴风力机设计技术复杂，重几十吨的机舱需安装在近百米的高空，功率存在偏航损失等，这些都是国内风电成本较高的原因。垂直轴风力发电系统力学性能好、结构简单、成本低，具有竞争优势。所以垂直轴风力发电机才是未来风电的发展方向。