      垂直軸風力發(fā)電機是未來風電的發(fā)展方向 隨著科技的飛速發(fā)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(tǒng)能源日漸枯竭，而且環(huán)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(tài)環(huán)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(fā)電機就是利用風能為動力的發(fā)電裝置，它充分利用自然能，即節(jié)能又環(huán)保。 風力發(fā)電機因風速不穩(wěn)定，故其輸出的電壓變化很大，須經(jīng)充電器整流穩(wěn)壓后，再對蓄電瓶充電，使風力發(fā)電機產(chǎn)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(zhuǎn)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(fā)電機——充電器——蓄電池——逆變電源——電網(wǎng)。 雖然風力發(fā)電有很多優(yōu)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(chǎn)業(yè)發(fā)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(shè)備造價要大大高于火電，火電設(shè)備建設(shè)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(huán)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(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計，在現(xiàn)有條件下，風力發(fā)電的平均成本在0.60元/度左右，如果采用進口設(shè)備，則需要更高的電價，因為風電機組進口設(shè)備的售價要比國內(nèi)設(shè)備高出30%，而設(shè)備成本占到了發(fā)電成本的80%，由于設(shè)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(tǒng)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(xù)發(fā)展的能源，卻無法大力推廣。 降低成本、提高發(fā)電效率、增加壽命一直是風電技術(shù)所追求的目標。為此，合理的選擇機型至關(guān)重要。 根據(jù)機型風力發(fā)電機可分為兩類：水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。然而目前廣泛使用大型水平軸風力發(fā)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(xiàn)就水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機優(yōu)劣做一下比較： 一、從結(jié)構(gòu)分析：1、水平軸風力發(fā)電機。由于風力發(fā)電機是隨風變化的，因此發(fā)出的電時有時無，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒有實際應(yīng)用價值的。風小時，不發(fā)電?？耧L吹來，又使風輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)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(tǒng)、液壓系統(tǒng)、剎車系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等裝置。 （1）、齒輪箱可以將很低的風輪轉(zhuǎn)速（大型的風機通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）。同時也使得發(fā)電機易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。 （2）、偏航系統(tǒng)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(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動力。為此，機艙要在水平面360度旋轉(zhuǎn)，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(tǒng)隨時對準主風向也有相當?shù)募夹g(shù)難度。這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有風向檢測、角位移發(fā)送、角位移跟蹤閉環(huán)電力拖動系統(tǒng)。 （3）、變槳矩系統(tǒng)，水平軸風輪機當風速變化時,為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，要有漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，風輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn)，以便適應(yīng)不同的風況。停機系統(tǒng)，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。即在風載荷下轉(zhuǎn)動漿葉一個角度。此扭矩非常大，只有用液壓系統(tǒng)才行。這個閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)精度高，液壓系統(tǒng)液體在冬季要有防凍措施，以防失靈。該系統(tǒng)價格貴、維護難。 （4）、液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機、剎車等狀態(tài)下使用。 （5）、控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機的神經(jīng)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(fā)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(fā)電，直到風速達到25米/秒時自動停機。風機的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機的運行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)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(shè)計簡單，完全可以自主設(shè)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(shù)不低于水平軸。垂直軸風輪機不要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來風，主軸永遠向設(shè)計方向轉(zhuǎn)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(guān)系到風電機的性能。 1、水平軸風力發(fā)電機：現(xiàn)有水平軸風力發(fā)電機葉片是參照直升飛機的螺旋槳設(shè)計的，屬于高風速葉片。這種葉片結(jié)構(gòu)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(chǎn)生很大彎矩的應(yīng)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(tài)產(chǎn)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(wǎng)的穩(wěn)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(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后無彎矩應(yīng)力。葉片只受拉應(yīng)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(fā)電效率就必須改善葉片性能。 三、系統(tǒng)穩(wěn)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(zhuǎn)360度的活動聯(lián)接機構(gòu)，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(wěn)定、易翻倒。由于高位放置安裝，維護不便。 2、垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)電機、齒輪箱放在底部，重心低、穩(wěn)定、維護方便。由于塔架低矮，降低了成本。 總結(jié)上述：水平軸風力機設(shè)計技術(shù)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(nèi)風電成本較高的原因。垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)力學性能好、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，具有競爭優(yōu)勢。所以垂直軸風力發(fā)電機才是未來風電的發(fā)展方向。 |
