[01547589]低风速风力发电机关键技术及应用

1.项目背景 随着能源消耗与日俱增,面临化石能源逐渐枯竭的严重问题,“能源发展”成为全球关注的焦点,风能是一种清洁的可再生能源,风力发电是风能利用的主要形式。风力发电机分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机两类。水平轴风力发电机商业化时间较早,目前世界范围内风力发电机以水平轴型占绝大多数。这种风力发电机的技术构成复杂、造价高,且运行限制条件严格,额定风速高,只适用于风力资源丰富的地区。相对于水平轴风力发电机而言,垂直轴风力发电机具有以下优点：（1）结构呈对称布置,可降低对大型高塔架的强度要求,且发电机、传动系统和控制单元等可安装在比较低的位置,便于安装维护;（2）对叶片的结构要求低,能够有效地降低大型叶片的制造成本;（3）运行条件宽松,启动风速低,满负荷运行范围宽;（4）噪音低,适合城市广场油田等处使用。若能发挥上述优势,适时开发实用的垂直轴风力发电机,将有望突破水平轴风力发电机的技术瓶颈,大幅度降低风电成本,促进该领域的技术进步和风电产业的发展。 风能利用率低和启动性能差是垂直轴风力机的两大缺点,要提高垂直轴风力机的性能,必须采取有效措施克服以上两大缺点。本项目技术出发点是采用低速风力发电机直驱结构,以减少传动环节,提高效率;采用磁悬浮支承技术,以消除主轴的旋转摩擦损耗,提高自启动能力;采用自导航聚风增效装置,以增大风能做正功面积,提高风能利用率。研究成果可广泛应用于常规大电网覆盖不到的边远地区,或广场油田等场合。同时,将项目研究的成果在并网技术方面进一步拓展,即可应用于并网型风力发电系统。 2.主要技术内容 （1）磁悬浮支承技术 研制了混合磁悬浮支承自平衡悬浮垂直轴风力机传动主轴结构,能够保证在风力扰动下的五自由度悬浮主轴悬浮气隙恒定,旋转无摩擦,提高传动效率。 （2）风力机低风速启动技术 将双曲柄机构应用于风力机,叶片的倾角随着机构连杆的位置的变化而变化,实现垂直轴风力机叶片的倾角调节,从而增大驱动力矩,使得垂直轴风力机能够在低风速自启动,无须启动附加装置,结构简单,风能利用率高。 （3）导航聚风增效技术 在风力机上安装导航聚风装置,在聚风架内部纵向布置前聚风板、侧聚风板和可以沿聚风架径向移动的平衡杆。在不需要额外驱动的情况下,增加了单位面积内风能的有效做工面积。与未使用聚风装置的垂直轴风力机相比,使用导航的聚风装置可有效提高风能利用率30%以上。 （4）叶片成型工艺技术 改变传统的玻璃纤维复合材料加工时复杂曲面的开模、层层粘合等工艺,可简单、快捷、准确地实现螺旋型叶片的加工,解决了螺旋型叶片复杂空间曲面加工的难题。采用该工艺生产的叶片可避免传统玻璃纤维复合材料叶片整体力学性能不稳定问题。 （5）垂直轴直驱传动主轴振颤抑制技术 研制了垂直轴风力机旋转主轴振颤的机电协调抑制装置,在实时监测并有效抑制主轴振颤,保证风力机机械稳定的同时,能获得转速约束条件下的最高风能捕获。 3.解决的主要问题 本项目产品为新能源领域的一种新型风力发电设备,能实现低风速启动和微噪音运行,解决了垂直轴风力发电机的启动性能不理想和风能利用率低的技术问题。 （1）解决了垂直轴风力机低风速自启动问题,叶片倾角可调,无需附加的启动装置。 （2）解决风能利用率较低的问题,利用增效聚能装置,提高风能利用率。 （3）解决支承摩擦损耗大的问题,采用磁悬浮支承,减少摩擦。 （4）解决低可靠性问题,研制专用集成芯片,提高风力发电机的性能和可靠性。 4.推广前景 全国拥有18000公里大陆海岸线,东部沿海数千公里范围内是风力资源最为集中的地区。该地区受地表粗糙度的影响小,风速较大,越靠近海边,风速越大,越具有开发价值。沿海地区具有典型的季风特征,一年内风向交替变化,秋冬季节盛行北风和东北风,春夏季以东南风为主。据估算,陆上风能资源可占总发电量的1.5%,浅海和海上风电场可开发量更大。 本产品可用于石油开采和靠近人口居住的偏内陆地区,用户类型主要有：油田、航海船只、游牧居民、航标照明等供电不方便的用电户;路灯照明、人造景观区等市政工程用电户;及住宅小区、山庄等成一定独立单位的用电户。这些地区分布面积广、风速稍低,但风能储量丰富,可利用一定高度的支柱安装于地面,也可以直接安装在小高层建筑的楼顶,具有广阔的市场前景。