微型垂直轴风力发电及市场应用研究

微型垂直轴风力发电及市场应用研究

姓名：石军

身份证：320219198503151014 江苏省无锡市

一、背景

近年来，新兴市场的风电发展迅速。在国家政策支持和能源供应紧张的背景下，中国的风电特别是风电设备制造业也迅速崛起，已经成为全球风电最为活跃的场所。

随着全球对可再生能源的需求不断增加，风能作为一种清洁、可持续的能源形式，受到了广泛关注。垂直轴风力发电机（ VAWT ）作为风能利用的一种重要形式，因其独特的结构和优点，逐渐成为风能技术领域的研究热点。

 垂直轴风力机的研究开始于20世纪中期。美国曾对垂直轴风力机开展了大量试验研究。目前日本、英国、加拿大等国家也在研制垂直轴风力机，其中生产中小型垂直轴风力机产品最多的国家是日本。垂直轴风电的产品化和产业化尽管在国内还处于起步阶段，但是随着未来垂直轴风力机的技术突破和大规模发展，将会成为大型风力机技术发展的一个重要方向。

 相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力机（阻力型）虽然风能利用效率较低，但其具有结构简单、运行可靠、安装维护方便及成本低等优点，且垂直轴风力发电机在风向改变的时候无需对风，减少了风轮对风时的陀螺力。但同时，相对于水平轴风力发电机，垂直轴风力机存在自启动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低、并网困难等缺点，这些问题大大阻碍了垂直轴风力机向大型化风力机的发展及推广。若能解决上述问题，垂直轴风力机将成为大型风力机技术发展的一个重要方向。

垂直轴风力发电机与传统的水平轴风力发电机不同，其转子轴线与地面垂直，因此可以利用更广泛的风向变化，提高了风能利用率。此外， VAWT 还具有结构紧凑、可靠性高、易于维护等优点，使其在风能利用领域具有广阔的应用前景。

然而，垂直轴风力发电机的研发和应用仍面临一些挑战。例如，如何提高发电效率、降低噪音和振动、优化设计等方面的问题，需要进一步研究和探索。

二、性能技术路线

根据机型风力发电机可分为两类:水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。

现在在全世界运行的风力发电机总数中，水平轴桨叶式风电机为90%以上，这是由于历史上理论上的误区，错误的认为垂直轴风机的发电效率要远远低于水平轴适成的，而近年来，随着理论的进步，实际风场的验证，以及风机大型化超势的发展，垂直轴风机的优势越来越明显，如果我国的风机制适企业，还是跟在西方国家的后面，抱残守缺，亦步亦超的发展水平轴风机，势必为将来的发展带来危机，相反，如果我国的风机制造企业，抓住目前的战略机遇，迅速抢占垂直轴风机发展的制高点，则可在未来的市场竞争中，占居优势地位，取得超常规的发展。

垂直轴风力发电机在工作的时候，只会产生小量的噪音，对周边环境的居民影响非常微小。垂直轴风力发电机不需要对风，可以接收全方位任何方向的来风，主轴能够永远向设计方向转动，因此不会存在偏航功率损失。产品造型丰富、美观。

垂直轴风力发电机的性能和技术路线取决于具体的设计和制造过程，以下是一般性的垂直轴风力发电机的性能和技术路线的概述：

1．风能利用效率：垂直轴风力发电机的设计目标之一是提高风能的利用效率。为了实现这一目标，可以采用以下技术路线：

1）叶片设计优化：通过研究和改进叶片的形状、材料和结构，以提高风能转换的效率。

2）流场分析和优化：利用计算流体力学（CFD）等工具对垂直轴风力发电机的流场进行模拟和优化，以减小阻力、提高效率。

3）控制系统优化：采用先进的控制算法，根据实时的风速和风向信息，调整垂直轴风力发电机的转速和叶片角度，以最大化能量转换效率。

2.启动和低风速性能：相比水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机在启动和低风速下的性能较好。为了实现这一特点，可以采用以下技术路线：

1）低风速启动机制：设计启动机构，使垂直轴风力发电机能够在低风速下启动并运行。

2）变桨机构优化：采用可调节桨叶角度或可变桨叶机构，以提高在低风速下的转矩输出和转速控制能力。

3.噪音和振动控制：垂直轴风力发电机的噪音和振动对于周围环境和设备的影响需要得到控制。以下是一些常见的技术路线：

1）结构优化：通过改进结构设计、减少共振和振动传递路径，降低振动和噪音的产生和传播。

2）声学材料应用：使用吸声材料和隔音包覆层等，减少噪音的辐射和传播。

3）控制策略：采用智能控制算法，对垂直轴风力发电机的转速和工作状态进行优化，以减少振动和噪音的产生。

4.可靠性和维护：垂直轴风力发电机的可靠性和维护性也是关键考虑因素。以下是一些相关技术路线：

1）材料和结构优化：选择高强度、耐腐蚀和耐疲劳的材料，改进垂直轴风力发电机的结构设计，以提高其可靠性和寿命。

2）远程监测和诊断：采用传感器和远程监测系统，实时监测垂直轴风力发电机的工作状态，及时发现故障并进行维修。

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。

随着计算机技术的日新月异,计算流体力学(Computational 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。

现有的中、小型H型垂直轴风机如上图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。

三、应用场景

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。

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 。

产品容量：1-50kW

☆技术领先--智能化控制，系统可扩展性强

1、世界优秀风电控制技术与自主研发的变桨距技术相结合。

2、硬件设计选用国际知名品牌，软件采用冗余式控制策略。

3、可与各知名品牌变流器和远程模块实现良好兼容。

☆安全性高--全天候持续运行，实现无人值守

1、风轮转速受控，恶劣风况下持续稳定运行。

2、十几道冗余式控制策略保障系统在全气候下的安全稳定。

☆发电量多--变桨调控，高效输出，发电量多达30%

1、额定风速以上，调控叶片桨距角，持续满功率输出。

2、工作风速区间大(3-25m/s)。

☆维护花费小-3年内无需维护，售后费用低

核心关键部件免维护设计，仅需每半年紧固连接螺栓，3年内无需售后维护。

（三）安全自动保护系统

自动安全保护系统(ASP)为完全自主专利技术，属国内首创，通过检测环境风速、系统电压、系统电流以及控制器状态等信号，智能控制风力发电机的运行及停机状态。当检测到的数据出现异常时，ASP系统通过控制机构改变叶片的角度为负角度，卸掉风轮盘面上的压力，使风轮转速下降，风轮能量减小。在风轮转速下降后，刹车系统将风轮主轴制动，风轮停止转动。待工况符合运行要求时，ASP系统自动解刹车，风力发电机重新开始工作，实现了无人值守。另外，控制箱上的手动与自动切换按钮，大大方便了风力发电机的日常维护保养工作。

结合与企业调研了解，目前常规水平轴中小型风力发电机的设备材料成本约6-7元/瓦，垂直轴风力发电机设备材料成本约10-15元/瓦左右。较常规大型风机价格较高，主要由于受市场的需求限制，生产线较少，产品发电功率相对偏小，导致单瓦造价较高，需要结合市场变化进行调整，促使产业得到更快的发展。

四、挑战及局限

1.成本:虽然VAWT具有许多优点，但其制造成本相对较高，导致其市场竞争力较弱。目前，垂直轴风力发电机的成本主要集中在材料和制造工艺方面。

2.技术成案中度:虽然VAWT的研究已经取得了一定的进展，但相对于传统的水平轴风力发电机，VAWT在技术和记设计方面仍需进一出完盖和提高。

3.认知度:目前，垂直轴风力发电机在全球范围内的认知度相目对较低。这主要是由于其较晚的商业化应用以及宣传不足所导致的。

五、总结

综上所述，垂直轴风力发电机作为一种高效、稳定、灵活和环境友好的可再生能源技术，利用农村、牧区、山区，发展中的大、中、小城市或商业区附近以及多能互补示范、小规模离网发电（基站、牧区等）、园区美观设计等方面开展应用，在未来的发展中具有广阔的前景。虽然目前还存在一些挑战和局限，但随着技术的进步和市场的扩大，产品性能、可靠性提升，维护及建造成本不断降低，这些问题有望得到解决。

因此，对于未来的能源结构优化和可持续发展来说，垂直轴风力发电机具有重要的战略意义。