垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)建設(shè)項(xiàng)目市場需求預(yù)測與建設(shè)規(guī)模

垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)建設(shè)項(xiàng)目市場需求預(yù)測與建設(shè)規(guī)模1.1國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電的歷史和現(xiàn)狀風(fēng)能，是人類最早使用的能源之一。遠(yuǎn)在公元前2000年，埃及、波斯等國已出現(xiàn)帆船和風(fēng)磨，中世紀(jì)荷蘭與美國已有用于排灌的水平軸風(fēng)車。我國是世界上最早利用風(fēng)能的國家之一，早在距今1800年前，我國就有風(fēng)力提水的記載。1890年丹麥的P·拉庫爾研制成功了風(fēng)力發(fā)電機(jī)，1908年丹麥已建成幾百個(gè)小型風(fēng)力發(fā)電站。自二十世紀(jì)初至二十世紀(jì)六十年代末，一些國家對風(fēng)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(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組因造價(jià)高和可靠性差而逐漸被淘汰，到二十世紀(jì)六十年代末相繼都停止了運(yùn)轉(zhuǎn)。這一階段的試驗(yàn)研究表明，這些中、大型機(jī)組一般在技術(shù)上還是可行的，它為二十世紀(jì)七十年代后期的大發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1980年以來，國際上風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)日益走向商業(yè)化。主要機(jī)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(gè)海上風(fēng)電場，由11臺(tái)丹麥Bonus450kW單機(jī)組成，總裝機(jī)4.95MW。隨后荷蘭、瑞典、英國相繼建成了自己的海上風(fēng)電場。目前，已經(jīng)備離岸風(fēng)力發(fā)電設(shè)備商業(yè)生產(chǎn)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(fēng)能，德國的Nordex、Repower、Pfleiderer/Prokon、Bonus和德國著名的Enercon公司。單機(jī)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(fēng)能的利用方面，無論是理論研究還是應(yīng)用研究都取得了重大進(jìn)步。風(fēng)力發(fā)電技術(shù)日臻完善，并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)單機(jī)額定功率最大已經(jīng)到5MW，葉輪直徑達(dá)到126m。截止2005年世界裝機(jī)容量已達(dá)58,982MW，風(fēng)力發(fā)電量占全球電量的1%。中國成為亞洲風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要推動(dòng)者之一，其總裝機(jī)容量居世界第8位，2005年新增裝機(jī)容量居世界第6位。和其他國家相比較，我國的并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)展比較緩慢，風(fēng)力發(fā)電僅占全國總裝機(jī)容量的0.14%，盡管已經(jīng)建立了40座風(fēng)電場，但是平均每個(gè)風(fēng)電場的裝機(jī)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(wǎng)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究和開發(fā)與世界先進(jìn)水平相比，差距甚大，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于我國風(fēng)電場建設(shè)的要求。特別是我國資金短缺，尚不能在風(fēng)電場建設(shè)方面大量投資，因此這一市場目前基本上是由外國占據(jù)著，已裝機(jī)的87%是從國外引進(jìn)的設(shè)備。目前，我國的并網(wǎng)型風(fēng)機(jī)主要由Bonus，Vestas，NEG-Micon、Nordtank、Nordex，Gamesa等國外廠家提供的，在風(fēng)機(jī)制造水平上，已經(jīng)成為國際主流機(jī)型的兆瓦級(jí)機(jī)型在中國還處于研發(fā)階段，本土化生產(chǎn)的最大風(fēng)電機(jī)組功率僅為750千瓦。目前大型風(fēng)機(jī)只能依賴進(jìn)口或者與外商合作生產(chǎn)。國產(chǎn)化取得一定的成果，但是總體上，還是進(jìn)口產(chǎn)品的占有統(tǒng)治地位。截止到2003年底，我國累計(jì)運(yùn)行中的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組以600kW為主，共有497套，1MW（含）以上的機(jī)組共有16套，處于600kW（含）-1000kW（不含）這個(gè)范圍內(nèi)的機(jī)組占總數(shù)的65%，包括660kW、750kW以及850kW幾個(gè)功率等級(jí)。我國開始建設(shè)的風(fēng)電，大約9000-10000元/千瓦，后來部分國產(chǎn)化以后，造價(jià)降到7000元左右/千瓦。以600

千瓦風(fēng)電機(jī)組為例，幾個(gè)主要部件進(jìn)行價(jià)格如下：①齒輪箱（從18

轉(zhuǎn)左右增到1500

轉(zhuǎn)）。進(jìn)口約60萬元，國產(chǎn)約18萬元一臺(tái)。②發(fā)電機(jī)（4

極1500

轉(zhuǎn)600

千瓦）。進(jìn)口約58

萬元國產(chǎn)約13～18

萬元。③風(fēng)葉。國產(chǎn)約每只18萬元，價(jià)格大概是進(jìn)口產(chǎn)品的1/3～1/2。而對于變速風(fēng)機(jī)還需加上變頻器的價(jià)格，大約1000～1500元/kW，對于雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)來說，變頻器的容量大約是整個(gè)系統(tǒng)容量的1/3左右，即變頻器占整個(gè)系統(tǒng)成本的不到十分之一。1.2垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)勢目前，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)仍占據(jù)著主體地位，但垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已日益轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)注和研究的熱點(diǎn)。與水平軸相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)有許多優(yōu)點(diǎn)：1）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)無需對風(fēng)向和對風(fēng)機(jī)構(gòu)。因而無對風(fēng)損失，發(fā)電效率高，整機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，可靠性高。2）葉片翼形設(shè)計(jì)相對簡單獨(dú)特。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片可簡化成二維模型，而水平軸必須采用三維模型進(jìn)行模擬和計(jì)算。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)已可采用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)模擬復(fù)雜的空氣流動(dòng)情況，而水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片設(shè)計(jì)普遍采用的是動(dòng)量—葉素理論。3）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率較高。通常水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率僅有23%～29%，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的空氣利用率可達(dá)40%以上，甚至更高。4）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有較低的起動(dòng)風(fēng)速。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速一般在4～5m/s之間，最大到5.9m/s。而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的起動(dòng)風(fēng)速可低至2m/s。5）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有靜音運(yùn)行特性。水平軸風(fēng)輪的尖速比一般在5~7，葉片切割氣流將產(chǎn)生很大的氣動(dòng)噪音，而且對電磁波等信號(hào)造成一定干攏，因此，在城鎮(zhèn)公共設(shè)施、工廠、民宅等場所的應(yīng)用受到很大限制，而垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的尖速比一般在1.5～2，基本可實(shí)現(xiàn)無噪音運(yùn)行。6）垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上優(yōu)勢明顯。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中受到一個(gè)交變載荷，對于葉片材質(zhì)和結(jié)構(gòu)要求高，而且維修不便，成本高，可靠性低；垂直軸風(fēng)輪的葉片所受的是恒定載荷，葉片疲勞壽命要比水平軸風(fēng)輪長。垂直軸的發(fā)電機(jī)可以放在風(fēng)輪的下部或是地面，便于安裝和維護(hù)。但是尖速比低是困擾著垂直軸風(fēng)輪應(yīng)用的主要問題，隨著科技發(fā)展，相繼開發(fā)出Darrieus風(fēng)輪和H型風(fēng)輪，垂直軸風(fēng)輪的尖速比得到很大提高，并具有較高的風(fēng)能利用率。這表明，垂直軸風(fēng)輪由阻力型向升力型、活動(dòng)葉型、升阻復(fù)合型轉(zhuǎn)變，已成為大功率垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)展方向。目前大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)保密嚴(yán)格，而一些公開的機(jī)型都有專利保護(hù)，設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)極其缺乏。作為產(chǎn)品開發(fā)，不能仿制他人設(shè)計(jì)?？梢哉f大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)只能走獨(dú)立研發(fā)的道路！但是垂直軸大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)也存在著一些技術(shù)難題，如背風(fēng)側(cè)減阻、遇強(qiáng)風(fēng)卸荷、大直徑風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)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(dòng)葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)開發(fā)具有可行性。1.3大功率垂直軸活動(dòng)葉風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)理念本研究的活動(dòng)葉式垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)所采用的風(fēng)輪，具有獨(dú)特設(shè)計(jì)理念，其關(guān)鍵技術(shù)是利用了升阻復(fù)合、互補(bǔ)原理，在結(jié)構(gòu)方面，設(shè)計(jì)的核心目的是增大驅(qū)動(dòng)力矩，盡可能減小背風(fēng)面阻力矩和風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程的風(fēng)阻，從而提高了尖速比，可實(shí)現(xiàn)大功率。主要設(shè)計(jì)理念如下：（1）利用升阻復(fù)合、互補(bǔ)原理所設(shè)計(jì)的活動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了升力型和阻力型的復(fù)合與互補(bǔ)。即在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速較低或風(fēng)速較小時(shí)，以阻力型做功為主，可以低速啟動(dòng)，彌補(bǔ)了升力型在低風(fēng)速時(shí)啟動(dòng)能力差、風(fēng)能利用率低的不足；當(dāng)風(fēng)速較高或風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到某一值后，阻力型做功的運(yùn)行機(jī)制演變?yōu)樯π?，使轉(zhuǎn)速進(jìn)一步升高至額定值，從而彌補(bǔ)了阻力型尖速比小，難以實(shí)現(xiàn)大功率的問題。（2）增加風(fēng)輪迎風(fēng)邊的受風(fēng)面積，減小阻風(fēng)邊的阻風(fēng)面積。根據(jù)公式：可知，在風(fēng)速V一定時(shí)，風(fēng)產(chǎn)生的作用力與其受風(fēng)面積A成正比。采用活動(dòng)葉片，可使葉片在迎風(fēng)邊（葉片旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)向相同的一側(cè)）具有最大的受風(fēng)面積；而在阻風(fēng)邊（葉片旋轉(zhuǎn)方向與風(fēng)向相反的一側(cè)）具有最小的阻風(fēng)面積，從而使風(fēng)力對風(fēng)輪產(chǎn)生最大的綜合驅(qū)動(dòng)力矩。（3）通過葉片的適時(shí)順風(fēng)擺動(dòng)，來減小風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)引起的阻轉(zhuǎn)力矩。風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)過程中，將產(chǎn)生很大的風(fēng)阻和阻轉(zhuǎn)力矩，特別是在尖速比較大時(shí)。本項(xiàng)目采用自適應(yīng)的控制方法，使處于非正功區(qū)域的葉片適時(shí)順風(fēng)，最大限度地減小風(fēng)阻。（4）增大風(fēng)輪的做功區(qū)域一般情況下，垂直軸風(fēng)輪的阻風(fēng)邊是產(chǎn)生阻轉(zhuǎn)力矩的，但根據(jù)葉片處于不同相位時(shí)所受到的主風(fēng)向和風(fēng)阻方向的適時(shí)變化，巧妙地設(shè)計(jì)葉片的開角和結(jié)構(gòu)，可利用升力在阻風(fēng)邊的一定范圍內(nèi)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩，在迎風(fēng)邊，利用升力和阻力產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力，從而使風(fēng)輪的總驅(qū)動(dòng)力矩增大。（5）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化本風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪由輪轂、風(fēng)葉框架、活動(dòng)葉片組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、葉片受力狀態(tài)好、工作可靠、抗強(qiáng)風(fēng)能力強(qiáng)、使用壽命長等特性。（6）彈性控制活動(dòng)葉片的轉(zhuǎn)角范圍控制活動(dòng)葉片的轉(zhuǎn)角范圍的目的是使風(fēng)機(jī)具有最佳的風(fēng)能利用率，采用彈性控制的優(yōu)點(diǎn)是，一方面明顯減輕了葉片擺動(dòng)產(chǎn)生的沖擊、震動(dòng)和噪音，另一方面，當(dāng)遇強(qiáng)風(fēng)時(shí)，葉片可超越所限定的擺角范圍，實(shí)現(xiàn)部分卸荷，確保風(fēng)機(jī)安全，還可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)風(fēng)發(fā)電。（7）提高運(yùn)行平穩(wěn)性，降低噪音對風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過程中的沖擊、震動(dòng)和共振等問題進(jìn)行全面的計(jì)算機(jī)模擬和分析，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)平穩(wěn)、可靠地運(yùn)轉(zhuǎn)，基本消除噪音現(xiàn)象。1.4活動(dòng)葉升阻復(fù)合型垂直軸風(fēng)車設(shè)計(jì)方案該關(guān)鍵技術(shù)部件——新型風(fēng)車的工作原理示意圖如圖1和圖2所示。風(fēng)力機(jī)在啟動(dòng)過程中或低風(fēng)速時(shí)，風(fēng)輪主要靠活動(dòng)葉片所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力作用下旋轉(zhuǎn)，此時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行機(jī)制主要為阻力型；當(dāng)風(fēng)速較大或者當(dāng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速升高到一定值后，活動(dòng)葉片在離心力作用下完全張開，從而演變成為一個(gè)升力型葉片，風(fēng)輪在升力作用下，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，并按照所設(shè)計(jì)的尖速比在額定功率下運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)變?yōu)橐陨橹鞯倪\(yùn)行機(jī)制。對于每個(gè)葉片，在旋轉(zhuǎn)到不同相位時(shí)，具有不同的運(yùn)行機(jī)制。在迎風(fēng)邊，活動(dòng)葉片依次處于閉合-打開-閉合狀態(tài)，因而葉片的運(yùn)行機(jī)制也相應(yīng)地呈升力-阻力-升力的周期性變化，在阻風(fēng)邊，活動(dòng)葉片則一直處于閉合狀態(tài)，此時(shí)主要以升力型和減小風(fēng)阻為主要特征。1.5風(fēng)能資源風(fēng)能是一種廣義的太陽能。據(jù)世界氣象組織（WMO）和中國氣象局氣象科學(xué)研究院分析，地球上可利用的風(fēng)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(fēng)能為2.53億kW，海上可利用的風(fēng)能是陸地上的3倍，50m高度層可利用的風(fēng)能是10m高度層的2倍，風(fēng)能資源非常豐富。2005年中國除臺(tái)灣省外新增風(fēng)電機(jī)組592臺(tái)，裝機(jī)容量50.3萬kW。與2004年當(dāng)年新增裝機(jī)19.8萬kW相比，2005年當(dāng)年新增裝機(jī)增長率為254%。截至2005年底，中國除臺(tái)灣省外累計(jì)風(fēng)電機(jī)組1864臺(tái)，裝機(jī)容量126.6萬kW，風(fēng)電場62個(gè)。與2004年累計(jì)裝機(jī)76.4萬kW相比，2005年累計(jì)裝機(jī)增長率為65.6%。2005年風(fēng)電上網(wǎng)電量約15.3億kW.h。中國“十一五”國家科技支撐計(jì)劃重大項(xiàng)目“大功率風(fēng)電機(jī)組研制與示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上雙饋式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驅(qū)式變速恒頻風(fēng)電機(jī)組的研制；1.5MW以上風(fēng)電機(jī)組葉片、齒輪箱、雙饋式發(fā)電機(jī)、直驅(qū)式永磁發(fā)電機(jī)的研制及產(chǎn)業(yè)化；1.5MW以上雙饋式風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器、直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)及變流器的研制及產(chǎn)業(yè)化；近海風(fēng)電場建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的研究；近海風(fēng)電機(jī)組安裝及維護(hù)專用設(shè)備的研制；大型風(fēng)電機(jī)組相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定及風(fēng)電技術(shù)發(fā)展分析等16個(gè)課題的研究。“十一五”末，我國風(fēng)電技術(shù)的自主研發(fā)能力將接近世界前沿水平。1.6項(xiàng)目產(chǎn)品的定位和目標(biāo)市場風(fēng)力發(fā)電機(jī)是把風(fēng)能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)種類繁多，因此分類法也是多種。按葉片數(shù)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(wǎng)系統(tǒng)，有上網(wǎng)型風(fēng)機(jī)和離網(wǎng)型風(fēng)機(jī)。公司經(jīng)過認(rèn)真的市場分析，決定將公司產(chǎn)品的定位在生產(chǎn)離網(wǎng)型的10kw垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其依據(jù)主要是考慮：1、上網(wǎng)型風(fēng)機(jī)主要是水平軸的大功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，單位kW造價(jià)高，火電平均4500元/kW，風(fēng)電平均8000~9000元/kW，平均造價(jià)高于火電。火電平均電價(jià)0.36元/千瓦時(shí)，風(fēng)電平均電價(jià)為0.56元/千瓦時(shí)，影響電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電的積極性。上網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)目前技術(shù)相當(dāng)成熟，但是這種形式不僅還需要國家還給一定的政策性補(bǔ)貼，上網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的電力對于用電消費(fèi)者的利益也還不能直接體現(xiàn)出來，產(chǎn)品對用電消費(fèi)者直接效益的影響和吸引力不大，影響了廣大用電消費(fèi)者產(chǎn)生消費(fèi)熱情和積極性。2、離網(wǎng)型的風(fēng)力發(fā)電機(jī)比較普遍的是水平軸的小功率發(fā)電機(jī)，一般在200、300、500瓦左右，占全年總產(chǎn)量的72.5%。近年由于廣大農(nóng)牧民生活水平提高、用電量不斷增加，因此小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)功率在繼續(xù)提高，50W機(jī)組不再生產(chǎn)，100W、150W機(jī)組產(chǎn)量逐年下降，而200W、300W、500W和1kW機(jī)組逐年增加，占總年產(chǎn)量的80%。其結(jié)構(gòu)簡單，沒有嚴(yán)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(yuǎn)地區(qū)，由于廣大農(nóng)民迫切希望不間斷用電，因此采用“風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)”的推廣應(yīng)用明顯加快，并向多臺(tái)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(shí)現(xiàn)多用戶互補(bǔ)集約化使用的需求，使得在規(guī)格設(shè)計(jì)上給發(fā)展推廣風(fēng)力發(fā)電機(jī)帶來了制約。3、我們定型產(chǎn)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(shè)備的情況下10kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，可以供應(yīng)超過20kw或30kw以上的用電負(fù)荷，這樣我們設(shè)計(jì)定型的10kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)就更能適應(yīng)各類消費(fèi)用戶，產(chǎn)品的使用范圍更加廣闊。如果按照年6000小時(shí)的工作時(shí)間，10kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電量在6萬度。按照每度電0.6元，10kw的風(fēng)力發(fā)電機(jī)年發(fā)電創(chuàng)造的價(jià)值既1.6萬元，若按照每臺(tái)套5萬左右的造價(jià)，一年半左右就可以