年产5000套10kw垂直轴风力发电机建设项目可行性研究报告
目前大型风机只能依赖进口或者与外商合作生产。 国产化取得一定的成果，但是总体上，还是进口产品的占有统治地位。截止到2003年底，我国累计运行中的风力发电机组以600kW为主，共有497套，1MW（含）以上的机组共有16套，处于600kW（含）-1000kW（不含）这个范围内的机组占总数的65%，包括660kW、750kW以及850kW几个功率等级。我国开始建设的风电，大约9000-10000元/千瓦，后来部分国产化以后，造价降到7000元左右/千瓦。以600 千瓦风电机组为例，几个主要部件进行价格如下：①齿轮箱（从18 转左右增到1500 转）。进口约60万元，国产约18万元一台。②发电机（4 极1500 转600 千瓦）。进口约58 万元国产约13～18 万元。③风叶。国产约每只18万元，价格大概是进口产品的1/3～1/2。而对于变速风机还需加上变频器的价格，大约1000～1500元/kW，对于双馈变速恒频风力发电系统来说，变频器的容量大约是整个系统容量的1/3左右，即变频器占整个系统成本的不到十分之一。 3.2垂直轴风力发电机的优势
目前，水平轴风力发电机仍占据着主体地位，但垂直轴风力发电机已日益转变为关注和研究的热点。与水平轴相比，垂直轴风力发电机有许多优点：
1）垂直轴风力发电机无需对风向和对风机构。因而无对风损失，发电效率高，整机结构相对简单，可靠性高。
2）叶片翼形设计相对简单独特。垂直轴风力发电机的叶片可简化成二维模型，而水平轴必须采用三维模型进行模拟和计算。垂直轴风力发电机已可采用计算流体力学（CFD）技术模拟复杂的空气流动情况，而水平轴风力发电机的叶片设计普遍采用的是动量—叶素理论。
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3）垂直轴风力发电机的风能利用率较高。通常水平轴风力发电机的风能利用率仅有23%～29%，而垂直轴风力发电机的空气利用率可达40%以上，甚至更高。
4）垂直轴风力发电机具有较低的起动风速。水平轴风力发电机的起动风速一般在4～5m/s之间，最大到5.9m/s。而垂直轴风力发电机的起动风速可低至2m/s。
5）垂直轴风力发电机具有静音运行特性。水平轴风轮的尖速比一般在5~7，叶片切割气流将产生很大的气动噪音，而且对电磁波等信号造成一定干拢，因此，在城镇公共设施、工厂、民宅等场所的应用受到很大限制，而垂直轴风力发电机的尖速比一般在1.5～2，基本可实现无噪音运行。
6）垂直轴风力发电机在结构上优势明显。水平轴风力发电机的叶片在高速旋转过程中受到一个交变载荷，对于叶片材质和结构要求高，而且维修不便，成本高，可靠性低；垂直轴风轮的叶片所受的是恒定载荷，叶片疲劳寿命要比水平轴风轮长。垂直轴的发电机可以放在风轮的下部或是地面，便于安装和维护。
但是尖速比低是困扰着垂直轴风轮应用的主要问题，随着科技发展，相继开发出Darrieus风轮和H型风轮，垂直轴风轮的尖速比得到很大提高，并具有较高的风能利用率。这表明，垂直轴风轮由阻力型向升力型、活动叶型、升阻复合型转变，已成为大功率垂直轴风力发电机的发展方向。
目前大功率风力发电机组技术保密严格，而一些公开的机型都有专利保护，设计资料和设计数据极其缺乏。作为产品开发，不能仿制他人设计。可以说大型风力发电机组的设计只能走独立研发的道路！但是垂直轴大功率风力发电机也存在着一些技术难题，如背风侧减阻、遇强风卸荷、大直
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径风轮的结构和强度等问题。本研究组在深入研究后提出了一些有创新性的解决方案，使大功率垂直轴活动叶风力发电机开发具有可行性。
3.3大功率垂直轴活动叶风力发电机的设计理念
本研究的活动叶式垂直轴风力发电机所采用的风轮，具有独特设计理念，其关键技术是利用了升阻复合、互补原理，在结构方面，设计的核心目的是增大驱动力矩，尽可能减小背风面阻力矩和风轮旋转过程的风阻，从而提高了尖速比，可实现大功率。主要设计理念如下：
（1）利用升阻复合、互补原理
所设计的活动叶片结构实现了升力型和阻力型的复合与互补。即在风轮转速较低或风速较小时，以阻力型做功为主，可以低速启动，弥补了升力型在低风速时启动能力差、风能利用率低的不足；当风速较高或风轮转速达到某一值后，阻力型做功的运行机制演变为升力型，使转速进一步升高至额定值，从而弥补了阻力型尖速比小，难以实现大功率的问题。
（2）增加风轮迎风边的受风面积，减小阻风边的阻风面积。 根据公式：
F?12?AV2可知，在风速V一定时，风产生的作用力与其
受风面积A成正比。采用活动叶片，可使叶片在迎风边（叶片旋转方向与风向相同的一侧）具有最大的受风面积；而在阻风边（叶片旋转方向与风向相反的一侧）具有最小的阻风面积，从而使风力对风轮产生最大的综合驱动力矩。
（3）通过叶片的适时顺风摆动，来减小风轮旋转引起的阻转力矩。 风轮在旋转过程中，将产生很大的风阻和阻转力矩，特别是在尖速比较大时。本项目采用自适应的控制方法，使处于非正功区域的叶片适时顺
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风，最大限度地减小风阻。
（4）增大风轮的做功区域
一般情况下，垂直轴风轮的阻风边是产生阻转力矩的，但根据叶片处于不同相位时所受到的主风向和风阻方向的适时变化，巧妙地设计叶片的开角和结构，可利用升力在阻风边的一定范围内产生驱动力矩，在迎风边，利用升力和阻力产生驱动力，从而使风轮的总驱动力矩增大。
（5）结构设计优化
本风力机风轮由轮毂、风叶框架、活动叶片组成，具有结构简单、制造成本低、叶片受力状态好、工作可靠、抗强风能力强、使用寿命长等特性。
（6）弹性控制活动叶片的转角范围
控制活动叶片的转角范围的目的是使风机具有最佳的风能利用率，采用弹性控制的优点是，一方面明显减轻了叶片摆动产生的冲击、震动和噪音，另一方面，当遇强风时，叶片可超越所限定的摆角范围，实现部分卸荷，确保风机安全，还可实现强风发电。
（7）提高运行平稳性，降低噪音
对风机在运行过程中的冲击、震动和共振等问题进行全面的计算机模拟和分析，通过结构优化设计实现风机平稳、可靠地运转，基本消除噪音现象。
3.4活动叶升阻复合型垂直轴风车设计方案
该关键技术部件——新型风车的工作原理示意图如图1和图2所示。风力机在启动过程中或低风速时，风轮主要靠活动叶片所产生的驱动力作用下旋转，此时风力机的运行机制主要为阻力型；当风速较大或者当风轮
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转速升高到一定值后，活动叶片在离心力作用下完全张开，从而演变成为一个升力型叶片，风轮在升力作用下，转速进一步提高，并按照所设计的尖速比在额定功率下运转，此时风轮转变为以升力为主的运行机制。对于每个叶片，在旋转到不同相位时，具有不同的运行机制。在迎风边，活动叶片依次处于闭合-打开-闭合状态，因而叶片的运行机制也相应地呈升力-阻力-升力的周期性变化，在阻风边，活动叶片则一直处于闭合状态，此时主要以升力型和减小风阻为主要特征。
3.5风能资源
风能是一种广义的太阳能。据世界气象组织（WMO）和中国气象局气象科学研究院分析，地球上可利用的风能资源为200亿kW，是地球上可利用水能的20倍。中国陆地10m高度层可利用的风能为2.53亿kW，海上可利用的风能是陆地上的3倍，50m高度层可利用的风能是10m高度层的2倍，风能资源非常丰富。2005年中国除台湾省外新增风电机组592台，装机容量50.3万kW。与2004年当年新增装机19.8万kW相比，2005年当年新增装机增长率为254%。截至2005年底，中国除台湾省外累计风电机组1864台，装机容量126.6万kW，风电场62个。与2004年累计装机76.4万kW相比，2005年累计装机增长率为65.6%。2005年风电上网电量约15.3亿kW.h。
中国“十一五”国家科技支撑计划重大项目“大功率风电机组研制与示范”支持1.5~2.5MW、2.5MW以上双馈式变速恒频风电机组的研制；1.5~2.5MW、2.5MW以上直驱式变速恒频风电机组的研制；1.5MW以上风电机组叶片、齿轮箱、双馈式发电机、直驱式永磁发电机的研制及产业化；1.5MW以上双馈式风电机组控制系统及变流器、直驱式风电机组控制系统
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