垂直轴风机发展趋势

垂直轴风力发电机的发展趋势和应用

严　强,蒋超奇

(上海麟风风电设备有限公司,上海　200063)

摘　要:水平轴风力发电机组是目前市场的主流产品,随着计算机技术的发展,计算流体力学(CFD )的应用为垂直轴风力发电机的研究提供了基础。介绍了垂直轴风力发电机的技术发展趋势,指出垂直轴风力发电机具有比水平轴风力发电机更好的商业开发价值。垂直轴风力发电机组具有高效、无噪声等特点,除了风电场应用以外,结合其特点,还可以采用风/光互补方式,应用领域十分宽广。关键词:垂直轴;风力发电机;发展趋势中图分类号:T K83 文献标识码:B

1　引言

提起风力发电机,人们常常联想起3个叶片的荷兰风车,通常被称为水平轴风机,也是目前技术最成熟、占据主流市场的产品。

水平轴风机技术主要包括风轮(叶片)技术、发电机和传动技术、并网技术三大部分,后两部分技术已成熟,但由于在水平轴风机设计中,叶片除了靠叶素理论计算、设计外,还要靠经验对计算值进行修正。我国从20世纪80年代后期才进入风力发电机行业,技术的发展跟不上世界主流技术发展的步伐,目前还是靠引进、吸收、消化风轮(叶片)设计技术。

我国水平轴风机的技术发展路线基本上是跟着国外的技术路线进行,而国外风电设备供应商在中国甚至在世界范围内,对风力发电机组及其部件的研发都申请了专利。我国一旦研制开发,进行大批量生产和销售的话,就会牵涉到知识产权问题,对风电设备产业未来的发展造成潜在的不利影响。

风力发电机行业是个高度集中性的行业,风机市场排名前8位的企业占据了世界96%以上的市场份额[1],分别是丹麦Vestas 公司、德国Repower 公司和Enercon 公司、美国GE 公司、西

班牙Gamesa 公司、印度suzlon 公司,等。

至2006年底,中国进入或正在进入大型风机市场的厂商已超过20家[1,2],其中金风科技占据国内市场的26%(国外厂商占据70%的市场分额),其余企业瓜分剩余4%的市场。

从企业的数量比较,中国的企业数量超过了全世界风机厂商数量的一倍以上,但均缺乏风力

发电机主流机型的核心技术———风轮(叶片设计)技术。从风机产业现状看,这些企业绝大多数在进行低水平的重复建设。

2　垂直轴风机的技术发展趋势

发电机的功率是扭矩和转速的乘积,由于水平轴风机的结构因素,决定了水平轴风机的风能利用率不会太高[3～5]。

除了水平轴风机以外,还有转轴垂直于地面的风机,简称垂直轴风机。垂直轴风机的应用可以追溯到几千年前,人们利用垂直轴风机进行提水。但利用垂直轴进行发电的研究直到20世纪20年代后才开始,由于研究工具、方法的落后,结

果导致认为垂直轴风机风能利用率不如水平轴风机[6],但制造工艺、成本低于水平轴风机的结论[6,7]。

随着计算机技术的日新月异,计算流体力学(Comp utational Fluid Dynamics ,简称CFD )得到了飞速的发展,从最初的小扰动速势方程,到欧拉方程以及更加复杂的N -S 方程,尤其进入21世纪后,已经可以模拟动态下的复杂外形气流流动,这为垂直轴风机的研究提供了一个基础。

传统的水平轴风力发电机叶片受其叶片特殊的非等截面结构限制,目前还不能用CFD 方法设计、计算,只能靠大量的经验来设计。

对于H 型垂直轴风轮叶片,由于是等截面结构,已经可以用CFD 方法来设计,计算精度要高于叶素理论方法,因此,目前世界上研究垂直轴风机的机构也越来越多。

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2007年第2期

图1　H 型垂直轴风轮

现有的中、小型H 型垂直轴风机如图1所示不仅在系统效率上达到了中小型水平轴风机的水平,而且还解决了低风速启动和高风速下自动限速的问题,在世界上首次使中、小型垂直轴风机具有商业应用

价值,同时由于H 型风

机无噪声的特点,比中、

小型水平轴风机具有更广的应用范围,为中、小型垂直轴风机的大规模商业开发奠定了基础。

麟风风电设备公司用在大型垂直轴风机上的变“攻角”技术,有电动和机械两种方式,该技术使垂直轴风力发电机的风轮在转动过程中,当叶片处于不同位置时根据风速、风向的变化情况,使叶片的“攻角”保持受控变化,使其始终处在最佳的“攻角”位置,从而达到最大的风能利用率。这项技术在世界上首次使大型升力型垂直轴风力发电机在风速2m/s 时就可以带负载自启动,同时在额定风速下获得比水平轴风机更高的风能利用率,在高风速环境下运行无噪声,而在风速超过额定风速后继续保持稳定的输出功率,这将使大型垂直轴风机具有比大型水平轴风力发电机更高的商业开发价值。

由于H 型垂直轴风机高效、无噪声等特点,未来无论是在风电场应用还是中小型独立用户,H 型垂直轴风机必将被大量应用。

图2　高速公路旁的垂直轴

风力发电机组

3　垂直轴H 型风力发电机的应用

由于H 型垂直轴

风机的特性,因此风力发电机的应用方式、应用领域发生了改变。水平轴风机由于噪声、对风向等问题,风机要么用于风电场,要么用于边远地区解决无电问题,这些应用场合都远离城市中心区域,但H 型风机将扩展新的应用领域。比如,

除了

图3　应用于海上钻井平台旁的

垂直轴风力发电机组风电场应用以外,还可以充分利用大型建筑物的集风作用和大型建筑物顶层的空间、高度,建造风电大楼和零能耗大楼。在这方面上海由于拥有H 型垂直轴风机技术这一得天独厚的优势,应该有

条件和能力走在前列,

其次,城市公共照明和高速公路亦可以通过

风/光互补方式大量应用风力发电机,如图2所示。

另外,具有风资源条件的企事业单位也可以大量应用H 型垂直风机,比如靠海边的海水淡化装置、油田采油机和海上钻井平台等,如图3所示。

4　上海在风力发电机行业中的地位

上海不仅在传统工业上具有强大的技术储备,而且在工艺、装备、熟练产业工人等方面具有传统优势,同时还有一大批高等院校作为技术后盾,尤其是同济大学,具有一流的大型低速风洞实验室,为风力发电机的进一步研发提供了必备的条件。

参考文献:

[1]　中国风能协会.中国风电产业现状及发展[R ].2006.[2]　中国新能源.国际巨头觊觎中国千亿风电设备市场[J ].中

国新能源,2006(6).

[3]　张维智,李方洲.小型水平轴风力发电机风洞实验[J ].风力

发电,2004(1).

[4]　张秋生.风力发电机组功率曲线考核初探[J ].风力发电,

2004(3).

[5]　熊礼俭.风力发电机新技术与发电工程设计、运行、维护及

标准规范实用手册[G].北京:中国科技文化出版社,2003.

[6]　张国铭(译).论制造兆瓦级垂直轴风力发电机的合理性

[J ].国外风电机,2001(10).

收稿日期:2006212212

作者简介:严　强(19612),男,上海人,高级经营师,本科,主要从事垂直轴风力发电机的系统设计、企业管理咨询等工作,021*********;蒋超奇(19792),男,湖南人,工程师,硕士研究生,主要从事垂直轴风机的CFD 计算、新型

翼型的计算和设计工作,021*********。

(责任编辑:吕　斌)

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