垂直軸風力發(fā)電機建設項目市場需求預測與建設規(guī)模

垂直軸風力發(fā)電機建設項目市場需求預測與建設規(guī)模1.1國內外風力發(fā)電的歷史和現狀風能，是人類最早使用的能源之一。遠在公元前2000年，埃及、波斯等國已出現帆船和風磨，中世紀荷蘭與美國已有用于排灌的水平軸風車。我國是世界上最早利用風能的國家之一，早在距今1800年前，我國就有風力提水的記載。1890年丹麥的P·拉庫爾研制成功了風力發(fā)電機，1908年丹麥已建成幾百個小型風力發(fā)電站。自二十世紀初至二十世紀六十年代末，一些國家對風能資源的開發(fā)，尚處于小規(guī)模的利用階段。隨著大型水電、火電機組的采用和電力系統(tǒng)的發(fā)展，1970年以前研制的中、大型風力發(fā)電機組因造價高和可靠性差而逐漸被淘汰，到二十世紀六十年代末相繼都停止了運轉。這一階段的試驗研究表明，這些中、大型機組一般在技術上還是可行的，它為二十世紀七十年代后期的大發(fā)展奠定了基礎。1980年以來，國際上風力發(fā)電機技術日益走向商業(yè)化。主要機組容量有300kW、600kW、750kW、850kW、1MW、2MW。1991年丹麥在Vindeby建成了世界上第一個海上風電場，由11臺丹麥Bonus450kW單機組成，總裝機4.95MW。隨后荷蘭、瑞典、英國相繼建成了自己的海上風電場。目前，已經備離岸風力發(fā)電設備商業(yè)生產能力的廠家，主要有丹麥的Vestas（包括被其整合的NEG-Micon），美國的GE風能，德國的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德國著名的Enercon公司。單機額定功率覆蓋范圍從2MW、2.3MW、1.6MW、4.2MW、4.5MW到5MW。葉輪直徑從80m、82.4m、100m、110m、114m、116m到126m。近30年來，國際上在風能的利用方面，無論是理論研究還是應用研究都取得了重大進步。風力發(fā)電技術日臻完善，并網型風力發(fā)電機單機額定功率最大已經到5MW，葉輪直徑達到126m。截止2005年世界裝機容量已達58,982MW，風力發(fā)電量占全球電量的1%。中國成為亞洲風電產業(yè)發(fā)展的主要推動者之一，其總裝機容量居世界第8位，2005年新增裝機容量居世界第6位。和其他國家相比較，我國的并網型風力發(fā)電的進展比較緩慢，風力發(fā)電僅占全國總裝機容量的0.14%，盡管已經建立了40座風電場，但是平均每個風電場的裝機容量不足1.5萬千瓦，還未形成規(guī)模。另外一方面，由于各方面條件的制約，我國并網風力發(fā)電技術的研究和開發(fā)與世界先進水平相比，差距甚大，也遠遠落后于我國風電場建設的要求。特別是我國資金短缺，尚不能在風電場建設方面大量投資，因此這一市場目前基本上是由外國占據著，已裝機的87%是從國外引進的設備。目前，我國的并網型風機主要由Bonus，Vestas，NEG-Micon、Nordtank、Nordex，Gamesa等國外廠家提供的，在風機制造水平上，已經成為國際主流機型的兆瓦級機型在中國還處于研發(fā)階段，本土化生產的最大風電機組功率僅為750千瓦。目前大型風機只能依賴進口或者與外商合作生產。國產化取得一定的成果，但是總體上，還是進口產品的占有統(tǒng)治地位。截止到2003年底，我國累計運行中的風力發(fā)電機組以600kW為主，共有497套，1MW（含）以上的機組共有16套，處于600kW（含）-1000kW（不含）這個范圍內的機組占總數的65%，包括660kW、750kW以及850kW幾個功率等級。我國開始建設的風電，大約9000-10000元/千瓦，后來部分國產化以后，造價降到7000元左右/千瓦。以600

千瓦風電機組為例，幾個主要部件進行價格如下：①齒輪箱（從18

轉左右增到1500

轉）。進口約60萬元，國產約18萬元一臺。②發(fā)電機（4

極1500

轉600

千瓦）。進口約58

萬元國產約13～18

萬元。③風葉。國產約每只18萬元，價格大概是進口產品的1/3～1/2。而對于變速風機還需加上變頻器的價格，大約1000～1500元/kW，對于雙饋變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)來說，變頻器的容量大約是整個系統(tǒng)容量的1/3左右，即變頻器占整個系統(tǒng)成本的不到十分之一。1.2垂直軸風力發(fā)電機的優(yōu)勢目前，水平軸風力發(fā)電機仍占據著主體地位，但垂直軸風力發(fā)電機已日益轉變?yōu)殛P注和研究的熱點。與水平軸相比，垂直軸風力發(fā)電機有許多優(yōu)點：1）垂直軸風力發(fā)電機無需對風向和對風機構。因而無對風損失，發(fā)電效率高，整機結構相對簡單，可靠性高。2）葉片翼形設計相對簡單獨特。垂直軸風力發(fā)電機的葉片可簡化成二維模型，而水平軸必須采用三維模型進行模擬和計算。垂直軸風力發(fā)電機已可采用計算流體力學（CFD）技術模擬復雜的空氣流動情況，而水平軸風力發(fā)電機的葉片設計普遍采用的是動量—葉素理論。3）垂直軸風力發(fā)電機的風能利用率較高。通常水平軸風力發(fā)電機的風能利用率僅有23%～29%，而垂直軸風力發(fā)電機的空氣利用率可達40%以上，甚至更高。4）垂直軸風力發(fā)電機具有較低的起動風速。水平軸風力發(fā)電機的起動風速一般在4～5m/s之間，最大到5.9m/s。而垂直軸風力發(fā)電機的起動風速可低至2m/s。5）垂直軸風力發(fā)電機具有靜音運行特性。水平軸風輪的尖速比一般在5~7，葉片切割氣流將產生很大的氣動噪音，而且對電磁波等信號造成一定干攏，因此，在城鎮(zhèn)公共設施、工廠、民宅等場所的應用受到很大限制，而垂直軸風力發(fā)電機的尖速比一般在1.5～2，基本可實現無噪音運行。6）垂直軸風力發(fā)電機在結構上優(yōu)勢明顯。水平軸風力發(fā)電機的葉片在高速旋轉過程中受到一個交變載荷，對于葉片材質和結構要求高，而且維修不便，成本高，可靠性低；垂直軸風輪的葉片所受的是恒定載荷，葉片疲勞壽命要比水平軸風輪長。垂直軸的發(fā)電機可以放在風輪的下部或是地面，便于安裝和維護。但是尖速比低是困擾著垂直軸風輪應用的主要問題，隨著科技發(fā)展，相繼開發(fā)出Darrieus風輪和H型風輪，垂直軸風輪的尖速比得到很大提高，并具有較高的風能利用率。這表明，垂直軸風輪由阻力型向升力型、活動葉型、升阻復合型轉變，已成為大功率垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)展方向。目前大功率風力發(fā)電機組技術保密嚴格，而一些公開的機型都有專利保護，設計資料和設計數據極其缺乏。作為產品開發(fā)，不能仿制他人設計?？梢哉f大型風力發(fā)電機組的設計只能走獨立研發(fā)的道路！但是垂直軸大功率風力發(fā)電機也存在著一些技術難題，如背風側減阻、遇強風卸荷、大直徑風輪的結構和強度等問題。本研究組在深入研究后提出了一些有創(chuàng)新性的解決方案，使大功率垂直軸活動葉風力發(fā)電機開發(fā)具有可行性。1.3大功率垂直軸活動葉風力發(fā)電機的設計理念本研究的活動葉式垂直軸風力發(fā)電機所采用的風輪，具有獨特設計理念，其關鍵技術是利用了升阻復合、互補原理，在結構方面，設計的核心目的是增大驅動力矩，盡可能減小背風面阻力矩和風輪旋轉過程的風阻，從而提高了尖速比，可實現大功率。主要設計理念如下：（1）利用升阻復合、互補原理所設計的活動葉片結構實現了升力型和阻力型的復合與互補。即在風輪轉速較低或風速較小時，以阻力型做功為主，可以低速啟動，彌補了升力型在低風速時啟動能力差、風能利用率低的不足；當風速較高或風輪轉速達到某一值后，阻力型做功的運行機制演變?yōu)樯π?，使轉速進一步升高至額定值，從而彌補了阻力型尖速比小，難以實現大功率的問題。（2）增加風輪迎風邊的受風面積，減小阻風邊的阻風面積。根據公式：可知，在風速V一定時，風產生的作用力與其受風面積A成正比。采用活動葉片，可使葉片在迎風邊（葉片旋轉方向與風向相同的一側）具有最大的受風面積；而在阻風邊（葉片旋轉方向與風向相反的一側）具有最小的阻風面積，從而使風力對風輪產生最大的綜合驅動力矩。（3）通過葉片的適時順風擺動，來減小風輪旋轉引起的阻轉力矩。風輪在旋轉過程中，將產生很大的風阻和阻轉力矩，特別是在尖速比較大時。本項目采用自適應的控制方法，使處于非正功區(qū)域的葉片適時順風，最大限度地減小風阻。（4）增大風輪的做功區(qū)域一般情況下，垂直軸風輪的阻風邊是產生阻轉力矩的，但根據葉片處于不同相位時所受到的主風向和風阻方向的適時變化，巧妙地設計葉片的開角和結構，可利用升力在阻風邊的一定范圍內產生驅動力矩，在迎風邊，利用升力和阻力產生驅動力，從而使風輪的總驅動力矩增大。（5）結構設計優(yōu)化本風力機風輪由輪轂、風葉框架、活動葉片組成，具有結構簡單、制造成本低、葉片受力狀態(tài)好、工作可靠、抗強風能力強、使用壽命長等特性。（6）彈性控制活動葉片的轉角范圍控制活動葉片的轉角范圍的目的是使風機具有最佳的風能利用率，采用彈性控制的優(yōu)點是，一方面明顯減輕了葉片擺動產生的沖擊、震動和噪音，另一方面，當遇強風時，葉片可超越所限定的擺角范圍，實現部分卸荷，確保風機安全，還可實現強風發(fā)電。（7）提高運行平穩(wěn)性，降低噪音對風機在運行過程中的沖擊、震動和共振等問題進行全面的計算機模擬和分析，通過結構優(yōu)化設計實現風機平穩(wěn)、可靠地運轉，基本消除噪音現象。1.4活動葉升阻復合型垂直軸風車設計方案該關鍵技術部件——新型風車的工作原理示意圖如圖1和圖2所示。風力機在啟動過程中或低風速時，風輪主要靠活動葉片所產生的驅動力作用下旋轉，此時風力機的運行機制主要為阻力型；當風速較大或者當風輪轉速升高到一定值后，活動葉片在離心力作用下完全張開，從而演變成為一個升力型葉片，風輪在升力作用下，轉速進一步提高，并按照所設計的尖速比在額定功率下運轉，此時風輪轉變?yōu)橐陨橹鞯倪\行機制。對于每個葉片，在旋轉到不同相位時，具有不同的運行機制。在迎風邊，活動葉片依次處于閉合-打開-閉合狀態(tài)，因而葉片的運行機制也相應地呈升力-阻力-升力的周期性變化，在阻風邊，活動葉片則一直處于閉合狀態(tài)，此時主要以升力型和減小風阻為主要特征。1.5風能資源風能是一種廣義的太陽能。據世界氣象組織（WMO）和中國氣象局氣象科學研究院分析，地球上可利用的風能資源為200億kW，是地球上可利用水能的20倍。中國陸地10m高度層可利用的風能為2.53億kW，海上可利用的風能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風能是10m高度層的2倍，風能資源非常豐富。2005年中國除臺灣省外新增風電機組592臺，裝機容量50.3萬kW。與2004年當年新增裝機19.8萬kW相比，2005年當年新增裝機增長率為254%。截至2005年底，中國除臺灣省外累計風電機組1864臺，裝機容量126.6萬kW，風電場62個。與2004年累計裝機76.4萬kW相比，2005年累計裝機增長率為65.6%。2005年風電上網電量約15.3億kW.h。中國“十一五”國家科技支撐計劃重大項目“大功率風電機組研制與示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上雙饋式變速恒頻風電機組的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驅式變速恒頻風電機組的研制；1.5MW以上風電機組葉片、齒輪箱、雙饋式發(fā)電機、直驅式永磁發(fā)電機的研制及產業(yè)化；1.5MW以上雙饋式風電機組控制系統(tǒng)及變流器、直驅式風電機組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產業(yè)化；近海風電場建設關鍵技術的研究；近海風電機組安裝及維護專用設備的研制；大型風電機組相關標準制定及風電技術發(fā)展分析等16個課題的研究。“十一五”末，我國風電技術的自主研發(fā)能力將接近世界前沿水平。1.6項目產品的定位和目標市場風力發(fā)電機是把風能轉換為電能的裝置，鑒于風力發(fā)電機種類繁多，因此分類法也是多種。按葉片數量分，單葉片，雙葉片，三葉片，四葉片和多葉片；按主軸與地面的相對位置分，水平軸、垂直軸(立軸)式；按槳葉工作原理分，升力型、阻力型。按照是否并入國家電網系統(tǒng)，有上網型風機和離網型風機。公司經過認真的市場分析，決定將公司產品的定位在生產離網型的10kw垂直軸風力發(fā)電機。其依據主要是考慮：1、上網型風機主要是水平軸的大功率風力發(fā)電機，單位kW造價高，火電平均4500元/kW，風電平均8000~9000元/kW，平均造價高于火電?；痣娖骄妰r0.36元/千瓦時，風電平均電價為0.56元/千瓦時，影響電網并網發(fā)電的積極性。上網型風力發(fā)電機目前技術相當成熟，但是這種形式不僅還需要國家還給一定的政策性補貼，上網型風力發(fā)電產生的電力對于用電消費者的利益也還不能直接體現出來，產品對用電消費者直接效益的影響和吸引力不大，影響了廣大用電消費者產生消費熱情和積極性。2、離網型的風力發(fā)電機比較普遍的是水平軸的小功率發(fā)電機，一般在200、300、500瓦左右，占全年總產量的72.5%。近年由于廣大農牧民生活水平提高、用電量不斷增加，因此小型風力發(fā)電機組單機功率在繼續(xù)提高，50W機組不再生產，100W、150W機組產量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW機組逐年增加，占總年產量的80%。其結構簡單，沒有嚴格的說要控制其發(fā)電的頻率，發(fā)出來電一般都是用蓄電池保存，大多使用在偏遠地區(qū)，由于廣大農民迫切希望不間斷用電，因此采用“風光互補發(fā)電系統(tǒng)”的推廣應用明顯加快，并向多臺組合式發(fā)展，這樣既增加了投資成本，又難以滿足用戶不間斷用電的要求，還不能實現多用戶互補集約化使用的需求，使得在規(guī)格設計上給發(fā)展推廣風力發(fā)電機帶來了制約。3、我們定型產品選擇在10kw的水平上，由于用電高峰和低谷的不平衡，合理配備蓄電設備的情況下10kw的風力發(fā)電機，可以供應超過20kw或30kw以上的用電負荷，這樣我們設計定型的10kw的風力發(fā)電機就更能適應各類消費用戶，產品的使用范圍更加廣闊。如果按照年6000小時的工作時間，10kw的風力發(fā)電機年發(fā)電量在6萬度。按照每度電0.6元，10kw的風力發(fā)電機年發(fā)電創(chuàng)造的價值既1.6萬元，若按照每臺套5萬左右的造價，一年半左右就可以