風電技術

針對眾多網友對新型垂直軸風力發電機（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瞭解。

最早的垂直軸風力發電機是一種圓弧形雙葉片的結構（Φ型或稱為達裏厄），由於其受風面積小，相應的啓動風速較高，一直未得到大力發展，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：為何當初採用Φ型設計而沒有用這種H型結構?實際上，這和科技的發展特別是電腦的發展密切相關的，由於H型垂直軸風力發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，採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達的年代，人們根本無法完成這一設計構思。

由於特殊應用場合的需要，2001年我國率先開始了這項研究，並且在以後兩年的時間裏不斷對產品進行改進，在2003年初，產品走向成熟，並在海島以及邊疆大量採用以這種新型垂直軸風力發電機為主要設備的風光互補系統。

世界上主要以MUCE公司和日本某公司為該產品的主要研發和生產單位。

下面我就詳細講解一下H型垂直軸風力發電機的技術原理：

該技術採用空氣動力學原理，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電機發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技術進行模擬氣動係數計算，計算原理採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佈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。

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

專利技術：一種風力發電機

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

由於此種設計結構採用了特殊空氣動力學原理、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於輪轂上，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電機優越性非常明顯。

附：現有垂直軸風力發電電源比較：

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

風機葉片是風力發電技術進步的關鍵核心

風力機部件，其良好的設計、可靠的質量和優越的性能是保證機組正常穩定運行的決定因素。我國風機葉片行業的發展是伴隨着風電產業及風電設備行業的發展而發展起來的。由於起步較晚，我國風機葉片最初主要是依靠進口來滿足市場需求的。隨着國內企業和科研院所的共同努力，我國風機葉片行業的供給能力迅速提升。我國風機葉片市場已經形成外資企業、民營企業、研究院所、上市公司等多元化的主體投資形式。外資企業主要有GE、LM、GAMESA、VESTAS等，國內企業以時代新材、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後，綜合生產能力將達到900萬千瓦。

風能技術分為大型風電技術和中小型風電技術，雖然都屬於風能技術，工作原理也相同，但是卻屬於完全不同的兩個行業。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，完全屬於同種產業中的兩個行業。因此，在中國風力機械行業會議上已經把大型風電和中小型風電區分出來分別對待。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展，還為中小型風電開闢了新的市場。

我國大型風電技術與國際還有一定差距。大型風電技術起源於丹麥、荷蘭等一些歐洲國家，由於當地風能資源豐富，風電產業受到政府的助推，大型風電技術和設備的發展在國際上遙遙領先。我國政府也開始助推大型風電技術的發展，並出台一系列政策引導產業發展。大型風電技術都是為大型風力發電機組設計的，而大型風力發電機組應用區域對環境的要求十分嚴格，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境考驗。環境的複雜多變性，對技術的高度要求就直線上升。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”藉着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技術和核心技術少之又少。還需經歷幾年環境考驗的大型風電技術才能逐漸成熟。此外，大型風電技術中發電併網的技術還在完善，一系列的問題還在制約大型風電技術的發展。

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展。最初中小型風電技術被廣泛應用在送電到鄉的項目，為一家一户的農牧民家用供電。隨着技術的更新不斷的完善與發展，不僅能單獨應用還能與光電組合互補，已被廣泛應用於分佈式獨立供電。這些年來隨着我國中小型風電出口的穩步提升，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，作為分佈式獨立發電效果顯著。不僅可以併網，而且還能結合光電形成更穩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勢，在國際上已打響了中小型風電的中國品牌。在國內最具技術優勢和競爭力的中小型風力發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電定位到內蒙、新疆等偏遠地區農牧民使用且歸入農機類，價格低廉、粗製濫造、性能可靠度低、安全無保障、使用地多為人煙稀少區，國內市場大多都在喪失可靠性的前提下大打價格戰，在人們潛意識裏形成較差的認識，因此得不到國家的重視和發展。

國內中小型風電的技術中“低風速啓動、低風速發電、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户的一致認可，已處於國際領先地位。況且中小型風電技術最終是為滿足分佈式獨立供電的終端市場，而非如大型風電技術是滿足發電併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展的市場需求。

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、應用範圍之廣、技術差異化之大，是各種單獨技術所無法比擬的。

風能和太陽能是全球在新能源利用方面技術最成熟、最具規模化和產業化發展的行業，單獨的風能和單獨的太陽能都有其開發的弊端，而風力發電和太陽能發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範圍，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境造成的污染遠大於風電，卻比風電能得到長足的發展，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勢，不僅為“節能、減排”開闢了新的天地，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。 ^[1] 

我國風能發展中技術創新還很薄弱，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，如果沒有自主創新能力，就不知道引進什麼先進技術，引進以後也沒有能力消化吸收，更不能進行再創新。另一方面，國外的核心技術是引進不來的，必須靠自主創新來掌握核心技術。再者，國內的自主創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“牆內開花牆外香”的局面才能得以改變，創新的動力才能來自不斷的創新。 ^[1] 

IEA風能技術路線圖認為，技術創新是減少風能生命週期成本的關鍵驅動因素。技術創新將開發出具有更高強度質量比的廉價材料，將會改善風機轉子的能量捕捉能力（特別是在低速、複雜地形和紊流情況下），增加海上風電廠運行時間，減少運維要求，延長風機壽命等。此外，海上風電比陸上風電的技術突破潛力更大。 ^[2] 

路線圖在風能技術發展方面確定了三個關鍵領域：風能資源評價（包括風能特徵和預測方法）、風機技術和供應鏈，並給出了需要開展的行動和實現的里程碑（表1）。路線圖同時指出，為實現技術里程碑，要求各國應增加研發資金支持，私營企業傾向於投資回報更加穩定的短期研發努力，而公共部門需要承擔長期的基礎研究職責，還需要增加協調研發和示範工作（特別是海上風電）。 ^[2]