      垂直軸風力發電機是未來風電的發展方向 隨著科技的飛速發展和人類生活水平的日益提高，能源消耗與日俱增，致使傳統能源日漸枯竭，而且環境污染也相當嚴重。風能是一種無污染的可再生能源，它取之不盡、用之不竭，隨著生態環境的要求和能源的需要，風能作為清潔的新能源得到人們的重視。 風力發電機就是利用風能為動力的發電裝置，它充分利用自然能，即節能又環保。 風力發電機因風速不穩定，故其輸出的電壓變化很大，須經充電器整流穩壓后，再對蓄電瓶充電，使風力發電機產生的電能變成化學能。然后通過有保護電路的逆變電源，把電瓶里的化學能轉變成交流220V市電，才能保證正常使用。 其工作過程是：風——風葉——發電機——充電器——蓄電池——逆變電源——電網。 雖然風力發電有很多優點，但存在一個根本問題，是我們無法回避的：成本！為此，風電成本高一直是影響風電產業發展最大制約因素，風電成本主要取決于風電機組的成本和維護成本。 風電雖然不燒煤，但是初始投資大。由于風電設備造價要大大高于火電，火電設備建設成本每千瓦約4000元—5000元，風電則為8000元—10000元。而風電的年等效利用小時又小于火電，因此在不考慮環境等外部效益的情況下，同火電相比，風電的成本其實并不低。根據有關部門的統計，在現有條件下，風力發電的平均成本在0.60元/度左右，如果采用進口設備，則需要更高的電價，因為風電機組進口設備的售價要比國內設備高出30%，而設備成本占到了發電成本的80%，由于設備過于依賴進口，直接導致我國風電成本上升。而目前火電的平均成本僅為0.30元/度，風電的競爭劣勢顯而易見。相比于火電、水電等傳統電力能源，其成本缺乏競爭力。所以風電雖無污染、能再生，是十分理想的清潔而又可持續發展的能源，卻無法大力推廣。 降低成本、提高發電效率、增加壽命一直是風電技術所追求的目標。為此，合理的選擇機型至關重要。 根據機型風力發電機可分為兩類：水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。然而目前廣泛使用大型水平軸風力發電機存在很多不足。為了更好地利用風能，合理的選擇機型。現就水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機優劣做一下比較： 一、從結構分析：1、水平軸風力發電機。由于風力發電機是隨風變化的，因此發出的電時有時無，電壓和頻率不穩定，是沒有實際應用價值的。風小時，不發電。狂風吹來，又使風輪越轉越快，系統就會被吹跨。為了解決這些問題，水平軸風力增加了齒輪箱、偏航系統、液壓系統、剎車系統和控制系統等裝置。 （1）、齒輪箱可以將很低的風輪轉速（大型的風機通常為27轉/分）變為很高的發電機轉速（通常為1500轉/分）。同時也使得發電機易于控制，實現穩定的頻率和電壓輸出。 （2）、偏航系統可以使風輪掃掠面積總是垂直于主風向，風輪沿水平軸旋轉，以便產生動力。為此，機艙要在水平面360度旋轉，隨時跟風，達到“迎風”目的。要知道，大型的風機機艙總重幾十多噸，使這樣一個系統隨時對準主風向也有相當的技術難度。這個調節系統包含有風向檢測、角位移發送、角位移跟蹤閉環電力拖動系統。 （3）、變槳矩系統，水平軸風輪機當風速變化時,為了調節轉速，要有漿距調節系統，風輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉，以便適應不同的風況。停機系統，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。即在風載荷下轉動漿葉一個角度。此扭矩非常大，只有用液壓系統才行。這個閉環調節系統精度高，液壓系統液體在冬季要有防凍措施，以防失靈。該系統價格貴、維護難。 （4）、液壓系統就是用于調節葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等狀態下使用。 （5）、控制系統是風力發電機的神經中樞。就大型風機而言，一般在4米/秒左右的風速自動啟動，在14米/秒左右發出額定功率。然后，隨著風速的增加，一直控制在額定功率附近發電，直到風速達到25米/秒時自動停機。風機的控制系統，要在這樣惡劣的條件下，根據風速、風向對系統加以控制，在穩定的電壓和頻率下運行，自動地并網和脫網。并監視齒輪箱、發電機的運行溫度，液壓系統的油壓，對出現的任何異常進行報警，必要時自動停機。 2、垂直軸風力機無需對風，不存在偏航功率損失；葉片設計簡單，完全可以自主設計；機艙和齒輪箱可置于風輪下或地面，維修費用更低；垂直軸風力機的噪音比水平軸更小，噪聲污染降低；此外，試驗室研究表明其風能利用系數不低于水平軸。垂直軸風輪機不要迎風調節系統，可以接受360度方位中任何方向來風，主軸永遠向設計方向轉動。 二、從力學角度分析：葉片是風電機的“心臟”，葉片的性能直接關系到風電機的性能。 1、水平軸風力發電機：現有水平軸風力發電機葉片是參照直升飛機的螺旋槳設計的，屬于高風速葉片。這種葉片結構相似懸臂梁，葉片上受到正面風載荷力和離心力，會使根部產生很大彎矩的應力，大量事故都是葉片根部折斷。為此，這種葉片強剛性能要求很高，造價高昂，MW級風電機葉片非常巨大，在高風速狀態產生強風載，風載的強度很驚人，造成的后果就是大幅提高塔架和機組的強度和成本，造成風電機的強烈振動，造成機械和疲勞損壞，還容易形成沖擊電流，影響并網的穩定性。 2、垂直軸風輪機，葉片兩頭與軸固定，它的形狀不是由葉片的剛度來保證的。葉片是柔性的，轉軸旋轉后無彎矩應力。葉片只受拉應力，用料少、壽命長，不易折斷。 所以，葉片性能是造成風電機高昂成本的主要因素，也是造成故障和高額維護費的主要因素，我們要降低風電機成本、提高發電效率就必須改善葉片性能。 三、系統穩定性分析： 1、水平軸風機的機倉放置在高高的塔頂，而且是一個可旋轉360度的活動聯接機構，自身重達十幾噸至幾十噸，葉片上隨機風載荷達幾十噸，重心高、不穩定、易翻倒。由于高位放置安裝，維護不便。 2、垂直軸風力發電機的發電機、齒輪箱放在底部，重心低、穩定、維護方便。由于塔架低矮，降低了成本。 總結上述：水平軸風力機設計技術復雜，重幾十噸的機艙需安裝在近百米的高空，功率存在偏航損失等，這些都是國內風電成本較高的原因。垂直軸風力發電系統力學性能好、結構簡單、成本低，具有競爭優勢。所以垂直軸風力發電機才是未來風電的發展方向。 |
