垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)是未來(lái)風(fēng)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(dāng)嚴(yán)重。風(fēng)能是一種無(wú)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(fēng)能作為清潔的新能源得到人們的重視。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是利用風(fēng)能為動(dòng)力的發(fā)電裝置，它充分利用自然能，即節(jié)能又環(huán)保。
風(fēng)力發(fā)電機(jī)因風(fēng)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(duì)蓄電瓶充電，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能變成化學(xué)能。然后通過(guò)有保護(hù)電路的逆變電源，把電瓶里的化學(xué)能轉(zhuǎn)變成交流220V市電，才能保證正常使用。
其工作過(guò)程是：風(fēng)——風(fēng)葉——發(fā)電機(jī)——充電器——蓄電池——逆變電源——電網(wǎng)。
雖然風(fēng)力發(fā)電有很多優(yōu)點(diǎn)，但存在一個(gè)根本問(wèn)題，是我們無(wú)法回避的：成本！為此，風(fēng)電成本高一直是影響風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大制約因素，風(fēng)電成本主要取決于風(fēng)電機(jī)組的成本和維護(hù)成本。
風(fēng)電雖然不燒煤，但是初始投資大。由于風(fēng)電設(shè)備造價(jià)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(fēng)電則為8000元—10000元。而風(fēng)電的年等效利用小時(shí)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(fēng)電的成本其實(shí)并不低。根據(jù)有關(guān)部門(mén)的統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)有條件下，風(fēng)力發(fā)電的平均成本在0.60元/度左右，如果采用進(jìn)口設(shè)備，則需要更高的電價(jià)，因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組進(jìn)口設(shè)備的售價(jià)要比國(guó)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(guò)于依賴進(jìn)口，直接導(dǎo)致我國(guó)風(fēng)電成本上升。而目前火電的平均成本僅為0.30元/度，風(fēng)電的競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)顯而易見(jiàn)。相比于火電、水電等傳統(tǒng)電力能源，其成本缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。所以風(fēng)電雖無(wú)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(wú)法大力推廣。
降低成本、提高發(fā)電效率、增加壽命一直是風(fēng)電技術(shù)所追求的目標(biāo)。為此，合理的選擇機(jī)型至關(guān)重要。
根據(jù)機(jī)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)可分為兩類：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。然而目前廣泛使用大型水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)存在很多不足。為了更好地利用風(fēng)能，合理的選擇機(jī)型?，F(xiàn)就水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)劣做一下比較：
一、從結(jié)構(gòu)分析：1、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)是隨風(fēng)變化的，因此發(fā)出的電時(shí)有時(shí)無(wú)，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的。風(fēng)小時(shí)，不發(fā)電?？耧L(fēng)吹來(lái)，又使風(fēng)輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會(huì)被吹跨。為了解決這些問(wèn)題，水平軸風(fēng)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(fēng)輪轉(zhuǎn)速（大型的風(fēng)機(jī)通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）。同時(shí)也使得發(fā)電機(jī)易于控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出。
（2）、偏航系統(tǒng)可以使風(fēng)輪掃掠面積總是垂直于主風(fēng)向，風(fēng)輪沿水平軸旋轉(zhuǎn)，以便產(chǎn)生動(dòng)力。為此，機(jī)艙要在水平面360度旋轉(zhuǎn)，隨時(shí)跟風(fēng)，達(dá)到“迎風(fēng)”目的。要知道，大型的風(fēng)機(jī)機(jī)艙總重幾十多噸，使這樣一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)準(zhǔn)主風(fēng)向也有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。這個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有風(fēng)向檢測(cè)、角位移發(fā)送、角位移跟蹤閉環(huán)電力拖動(dòng)系統(tǒng)。
（3）、變槳矩系統(tǒng)，水平軸風(fēng)輪機(jī)當(dāng)風(fēng)速變化時(shí),為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，要有漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，風(fēng)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(fēng)況。停機(jī)系統(tǒng)，葉片尖部要甩出，以便形成阻尼。即在風(fēng)載荷下轉(zhuǎn)動(dòng)漿葉一個(gè)角度。此扭矩非常大，只有用液壓系統(tǒng)才行。這個(gè)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(jià)格貴、維護(hù)難。
（4）、液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼、停機(jī)、剎車等狀態(tài)下使用。
（5）、控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的神經(jīng)中樞。就大型風(fēng)機(jī)而言，一般在4米/秒左右的風(fēng)速自動(dòng)啟動(dòng)，在14米/秒左右發(fā)出額定功率。然后，隨著風(fēng)速的增加，一直控制在額定功率附近發(fā)電，直到風(fēng)速達(dá)到25米/秒時(shí)自動(dòng)停機(jī)。風(fēng)機(jī)的控制系統(tǒng)，要在這樣惡劣的條件下，根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ο到y(tǒng)加以控制，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運(yùn)行，自動(dòng)地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱、發(fā)電機(jī)的運(yùn)行溫度，液壓系統(tǒng)的油壓，對(duì)出現(xiàn)的任何異常進(jìn)行報(bào)警，必要時(shí)自動(dòng)停機(jī)。
2、垂直軸風(fēng)力機(jī)無(wú)需對(duì)風(fēng)，不存在偏航功率損失；葉片設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，完全可以自主設(shè)計(jì)；機(jī)艙和齒輪箱可置于風(fēng)輪下或地面，維修費(fèi)用更低；垂直軸風(fēng)力機(jī)的噪音比水平軸更小，噪聲污染降低；此外，試驗(yàn)室研究表明其風(fēng)能利用系數(shù)不低于水平軸。垂直軸風(fēng)輪機(jī)不要迎風(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以接受360度方位中任何方向來(lái)風(fēng)，主軸永遠(yuǎn)向設(shè)計(jì)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
二、從力學(xué)角度分析：葉片是風(fēng)電機(jī)的“心臟”，葉片的性能直接關(guān)系到風(fēng)電機(jī)的性能。
1、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)：現(xiàn)有水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片是參照直升飛機(jī)的螺旋槳設(shè)計(jì)的，屬于高風(fēng)速葉片。這種葉片結(jié)構(gòu)相似懸臂梁，葉片上受到正面風(fēng)載荷力和離心力，會(huì)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(qiáng)剛性能要求很高，造價(jià)高昂，MW級(jí)風(fēng)電機(jī)葉片非常巨大，在高風(fēng)速狀態(tài)產(chǎn)生強(qiáng)風(fēng)載，風(fēng)載的強(qiáng)度很驚人，造成的后果就是大幅提高塔架和機(jī)組的強(qiáng)度和成本，造成風(fēng)電機(jī)的強(qiáng)烈振動(dòng)，造成機(jī)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(fēng)輪機(jī)，葉片兩頭與軸固定，它的形狀不是由葉片的剛度來(lái)保證的。葉片是柔性的，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后無(wú)彎矩應(yīng)力。葉片只受拉應(yīng)力，用料少、壽命長(zhǎng)，不易折斷。
所以，葉片性能是造成風(fēng)電機(jī)高昂成本的主要因素，也是造成故障和高額維護(hù)費(fèi)的主要因素，我們要降低風(fēng)電機(jī)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(fēng)機(jī)的機(jī)倉(cāng)放置在高高的塔頂，而且是一個(gè)可旋轉(zhuǎn)360度的活動(dòng)聯(lián)接機(jī)構(gòu)，自身重達(dá)十幾噸至幾十噸，葉片上隨機(jī)風(fēng)載荷達(dá)幾十噸，重心高、不穩(wěn)定、易翻倒。由于高位放置安裝，維護(hù)不便。
2、垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)、齒輪箱放在底部，重心低、穩(wěn)定、維護(hù)方便。由于塔架低矮，降低了成本。
總結(jié)上述：水平軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)復(fù)雜，重幾十噸的機(jī)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(guó)內(nèi)風(fēng)電成本較高的原因。垂直軸風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)力學(xué)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。所以垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)才是未來(lái)風(fēng)電的發(fā)展方向。
