垂直轴风力发电机建设项目市场需求预测与建设规模

垂直轴风力发电机建设项目市场需求预测与建设规模1.1国内外风力发电的历史和现状风能，是人类最早使用的能源之一。远在公元前2000年，埃及、波斯等国已出现帆船和风磨，中世纪荷兰与美国已有用于排灌的水平轴风车。我国是世界上最早利用风能的国家之一，早在距今1800年前，我国就有风力提水的记载。1890年丹麦的P·拉库尔研制成功了风力发电机，1908年丹麦已建成几百个小型风力发电站。自二十世纪初至二十世纪六十年代末，一些国家对风能资源的开发，尚处于小规模的利用阶段。随着大型水电、火电机组的采用和电力系统的发展，1970年以前研制的中、大型风力发电机组因造价高和可靠性差而逐渐被淘汰，到二十世纪六十年代末相继都停止了运转。这一阶段的试验研究表明，这些中、大型机组一般在技术上还是可行的，它为二十世纪七十年代后期的大发展奠定了基础。1980年以来，国际上风力发电机技术日益走向商业化。主要机组容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麦在Vindeby建成了世界上第一个海上风电场，由11台丹麦Bonus450kW单机组成，总装机4.95MW。随后荷兰、瑞典、英国相继建成了自己的海上风电场。目前，已经备离岸风力发电设备商业生产能力的厂家，主要有丹麦的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美国的GE风能，德国的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德国著名的Enercon公司。单机额定功率覆盖范围从2MW、2.3MW、1.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。叶轮直径从80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。近30年来，国际上在风能的利用方面，无论是理论研究还是应用研究都取得了重大进步。风力发电技术日臻完善，并网型风力发电机单机额定功率最大已经到5MW，叶轮直径达到126m。截止2005年世界装机容量已达58,982MW，风力发电量占全球电量的1%。中国成为亚洲风电产业发展的主要推动者之一，其总装机容量居世界第8位，2005年新增装机容量居世界第6位。和其他国家相比较，我国的并网型风力发电的进展比较缓慢，风力发电仅占全国总装机容量的0.14%，尽管已经建立了40座风电场，但是平均每个风电场的装机容量不足1.5万千瓦，还未形成规模。另外一方面，由于各方面条件的制约，我国并网风力发电技术的研究和开发与世界先进水平相比，差距甚大，也远远落后于我国风电场建设的要求。特别是我国资金短缺，尚不能在风电场建设方面大量投资，因此这一市场目前基本上是由外国占据着，已装机的87%是从国外引进的设备。目前，我国的并网型风机主要由Bonus，Vestas，NEG-Micon、Nordtank、Nordex，Gamesa等国外厂家提供的，在风机制造水平上，已经成为国际主流机型的兆瓦级机型在中国还处于研发阶段，本土化生产的最大风电机组功率仅为750千瓦。目前大型风机只能依赖进口或者与外商合作生产。国产化取得一定的成果，但是总体上，还是进口产品的占有统治地位。截止到2003年底，我国累计运行中的风力发电机组以600kW为主，共有497套，1MW（含）以上的机组共有16套，处于600kW（含）-1000kW（不含）这个范围内的机组占总数的65%，包括660kW、750kW以及850kW几个功率等级。我国开始建设的风电，大约9000-10000元/千瓦，后来部分国产化以后，造价降到7000元左右/千瓦。以600

千瓦风电机组为例，几个主要部件进行价格如下：①齿轮箱（从18

转左右增到1500

转）。进口约60万元，国产约18万元一台。②发电机（4

极1500

转600

千瓦）。进口约58

万元国产约13～18

万元。③风叶。国产约每只18万元，价格大概是进口产品的1/3～1/2。而对于变速风机还需加上变频器的价格，大约1000～1500元/kW，对于双馈变速恒频风力发电系统来说，变频器的容量大约是整个系统容量的1/3左右，即变频器占整个系统成本的不到十分之一。1.2垂直轴风力发电机的优势目前，水平轴风力发电机仍占据着主体地位，但垂直轴风力发电机已日益转变为关注和研究的热点。与水平轴相比，垂直轴风力发电机有许多优点：1）垂直轴风力发电机无需对风向和对风机构。因而无对风损失，发电效率高，整机结构相对简单，可靠性高。2）叶片翼形设计相对简单独特。垂直轴风力发电机的叶片可简化成二维模型，而水平轴必须采用三维模型进行模拟和计算。垂直轴风力发电机已可采用计算流体力学（CFD）技术模拟复杂的空气流动情况，而水平轴风力发电机的叶片设计普遍采用的是动量—叶素理论。3）垂直轴风力发电机的风能利用率较高。通常水平轴风力发电机的风能利用率仅有23%～29%，而垂直轴风力发电机的空气利用率可达40%以上，甚至更高。4）垂直轴风力发电机具有较低的起动风速。水平轴风力发电机的起动风速一般在4～5m/s之间，最大到5.9m/s。而垂直轴风力发电机的起动风速可低至2m/s。5）垂直轴风力发电机具有静音运行特性。水平轴风轮的尖速比一般在5~7，叶片切割气流将产生很大的气动噪音，而且对电磁波等信号造成一定干拢，因此，在城镇公共设施、工厂、民宅等场所的应用受到很大限制，而垂直轴风力发电机的尖速比一般在1.5～2，基本可实现无噪音运行。6）垂直轴风力发电机在结构上优势明显。水平轴风力发电机的叶片在高速旋转过程中受到一个交变载荷，对于叶片材质和结构要求高，而且维修不便，成本高，可靠性低；垂直轴风轮的叶片所受的是恒定载荷，叶片疲劳寿命要比水平轴风轮长。垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面，便于安装和维护。但是尖速比低是困扰着垂直轴风轮应用的主要问题，随着科技发展，相继开发出Darrieus风轮和H型风轮，垂直轴风轮的尖速比得到很大提高，并具有较高的风能利用率。这表明，垂直轴风轮由阻力型向升力型、活动叶型、升阻复合型转变，已成为大功率垂直轴风力发电机的发展方向。目前大功率风力发电机组技术保密严格，而一些公开的机型都有专利保护，设计资料和设计数据极其缺乏。作为产品开发，不能仿制他人设计。可以说大型风力发电机组的设计只能走独立研发的道路！但是垂直轴大功率风力发电机也存在着一些技术难题，如背风侧减阻、遇强风卸荷、大直径风轮的结构和强度等问题。本研究组在深入研究后提出了一些有创新性的解决方案，使大功率垂直轴活动叶风力发电机开发具有可行性。1.3大功率垂直轴活动叶风力发电机的设计理念本研究的活动叶式垂直轴风力发电机所采用的风轮，具有独特设计理念，其关键技术是利用了升阻复合、互补原理，在结构方面，设计的核心目的是增大驱动力矩，尽可能减小背风面阻力矩和风轮旋转过程的风阻，从而提高了尖速比，可实现大功率。主要设计理念如下：（1）利用升阻复合、互补原理所设计的活动叶片结构实现了升力型和阻力型的复合与互补。即在风轮转速较低或风速较小时，以阻力型做功为主，可以低速启动，弥补了升力型在低风速时启动能力差、风能利用率低的不足；当风速较高或风轮转速达到某一值后，阻力型做功的运行机制演变为升力型，使转速进一步升高至额定值，从而弥补了阻力型尖速比小，难以实现大功率的问题。（2）增加风轮迎风边的受风面积，减小阻风边的阻风面积。根据公式：可知，在风速V一定时，风产生的作用力与其受风面积A成正比。采用活动叶片，可使叶片在迎风边（叶片旋转方向与风向相同的一侧）具有最大的受风面积；而在阻风边（叶片旋转方向与风向相反的一侧）具有最小的阻风面积，从而使风力对风轮产生最大的综合驱动力矩。（3）通过叶片的适时顺风摆动，来减小风轮旋转引起的阻转力矩。风轮在旋转过程中，将产生很大的风阻和阻转力矩，特别是在尖速比较大时。本项目采用自适应的控制方法，使处于非正功区域的叶片适时顺风，最大限度地减小风阻。（4）增大风轮的做功区域一般情况下，垂直轴风轮的阻风边是产生阻转力矩的，但根据叶片处于不同相位时所受到的主风向和风阻方向的适时变化，巧妙地设计叶片的开角和结构，可利用升力在阻风边的一定范围内产生驱动力矩，在迎风边，利用升力和阻力产生驱动力，从而使风轮的总驱动力矩增大。（5）结构设计优化本风力机风轮由轮毂、风叶框架、活动叶片组成，具有结构简单、制造成本低、叶片受力状态好、工作可靠、抗强风能力强、使用寿命长等特性。（6）弹性控制活动叶片的转角范围控制活动叶片的转角范围的目的是使风机具有最佳的风能利用率，采用弹性控制的优点是，一方面明显减轻了叶片摆动产生的冲击、震动和噪音，另一方面，当遇强风时，叶片可超越所限定的摆角范围，实现部分卸荷，确保风机安全，还可实现强风发电。（7）提高运行平稳性，降低噪音对风机在运行过程中的冲击、震动和共振等问题进行全面的计算机模拟和分析，通过结构优化设计实现风机平稳、可靠地运转，基本消除噪音现象。1.4活动叶升阻复合型垂直轴风车设计方案该关键技术部件——新型风车的工作原理示意图如图1和图2所示。风力机在启动过程中或低风速时，风轮主要靠活动叶片所产生的驱动力作用下旋转，此时风力机的运行机制主要为阻力型；当风速较大或者当风轮转速升高到一定值后，活动叶片在离心力作用下完全张开，从而演变成为一个升力型叶片，风轮在升力作用下，转速进一步提高，并按照所设计的尖速比在额定功率下运转，此时风轮转变为以升力为主的运行机制。对于每个叶片，在旋转到不同相位时，具有不同的运行机制。在迎风边，活动叶片依次处于闭合-打开-闭合状态，因而叶片的运行机制也相应地呈升力-阻力-升力的周期性变化，在阻风边，活动叶片则一直处于闭合状态，此时主要以升力型和减小风阻为主要特征。1.5风能资源风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h。中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统及变流器的研制及产业化；近海风电场建设关键技术的研究；近海风电机组安装及维护专用设备的研制；大型风电机组相关标准制定及风电技术发展分析等16个课题的研究。“十一五”末，我国风电技术的自主研发能力将接近世界前沿水平。1.6项目产品的定位和目标市场风力发电机是把风能转换为电能的装置，鉴于风力发电机种类繁多，因此分类法也是多种。按叶片数量分，单叶片，双叶片，三叶片，四叶片和多叶片；按主轴与地面的相对位置分，水平轴、垂直轴(立轴)式；按桨叶工作原理分，升力型、阻力型。按照是否并入国家电网系统，有上网型风机和离网型风机。公司经过认真的市场分析，决定将公司产品的定位在生产离网型的10kw垂直轴风力发电机。其依据主要是考虑：1、上网型风机主要是水平轴的大功率风力发电机，单位kW造价高，火电平均4500元/kW，风电平均8000~9000元/kW，平均造价高于火电。火电平均电价0.36元/千瓦时，风电平均电价为0.56元/千瓦时，影响电网并网发电的积极性。上网型风力发电机目前技术相当成熟，但是这种形式不仅还需要国家还给一定的政策性补贴，上网型风力发电产生的电力对于用电消费者的利益也还不能直接体现出来，产品对用电消费者直接效益的影响和吸引力不大，影响了广大用电消费者产生消费热情和积极性。2、离网型的风力发电机比较普遍的是水平轴的小功率发电机，一般在200、300、500瓦左右，占全年总产量的72.5%。近年由于广大农牧民生活水平提高、用电量不断增加，因此小型风力发电机组单机功率在继续提高，50W机组不再生产，100W、150W机组产量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW机组逐年增加，占总年产量的80%。其结构简单，没有严格的说要控制其发电的频率，发出来电一般都是用蓄电池保存，大多使用在偏远地区，由于广大农民迫切希望不间断用电，因此采用“风光互补发电系统”的推广应用明显加快，并向多台组合式发展，这样既增加了投资成本，又难以满足用户不间断用电的要求，还不能实现多用户互补集约化使用的需求，使得在规格设计上给发展推广风力发电机带来了制约。3、我们定型产品选择在10kw的水平上，由于用电高峰和低谷的不平衡，合理配备蓄电设备的情况下10kw的风力发电机，可以供应超过20kw或30kw以上的用电负荷，这样我们设计定型的10kw的风力发电机就更能适应各类消费用户，产品的使用范围更加广阔。如果按照年6000小时的工作时间，10kw的风力发电机年发电量在6万度。按照每度电0.6元，10kw的风力发电机年发电创造的价值既1.6万元，若按照每台套5万左右的造价，一年半左右就可以