垂直軸風力發(fā)電機是未來風電的發(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)境污染也相當嚴重,。風能是一種無污染的可再生能源，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，風能作為清潔的新能源得到人們的重視,。
風力發(fā)電機就是利用風能為動力的發(fā)電裝置,，它充分利用自然能，即節(jié)能又環(huán)保,。
風力發(fā)電機因風速不穩(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,，再對蓄電瓶充電,，使風力發(fā)電機產(chǎn)生的電能變成化學能。然后通過有保護電路的逆變電源,，把電瓶里的化學能轉(zhuǎn)變成交流220V市電,，才能保證正常使用。
其工作過程是：風——風葉——發(fā)電機——充電器——蓄電池——逆變電源——電網(wǎng),。
雖然風力發(fā)電有很多優(yōu)點,，但存在一個根本問題，是我們無法回避的：成本！為此,，風電成本高一直是影響風電產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大制約因素,，風電成本主要取決于風電機組的成本和維護成本。
風電雖然不燒煤,，但是初始投資大,。由于風電設(shè)備造價要大大高于火電，火電設(shè)備建設(shè)成本每千瓦約4000元—5000元,，風電則為8000元—10000元,。而風電的年等效利用小時又小于火電，因此在不考慮環(huán)境等外部效益的情況下,，同火電相比,，風電的成本其實并不低。根據(jù)有關(guān)部門的統(tǒng)計,，在現(xiàn)有條件下,，風力發(fā)電的平均成本在0.60元/度左右，如果采用進口設(shè)備,，則需要更高的電價,，因為風電機組進口設(shè)備的售價要比國內(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)備過于依賴進口,，直接導致我國風電成本上升。而目前火電的平均成本僅為0.30元/度,，風電的競爭劣勢顯而易見,。相比于火電、水電等傳統(tǒng)電力能源,，其成本缺乏競爭力,。所以風電雖無污染、能再生,，是十分理想的清潔而又可持續(xù)發(fā)展的能源,，卻無法大力推廣。
降低成本,、提高發(fā)電效率,、增加壽命一直是風電技術(shù)所追求的目標。為此,，合理的選擇機型至關(guān)重要,。
根據(jù)機型風力發(fā)電機可分為兩類：水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。然而目前廣泛使用大型水平軸風力發(fā)電機存在很多不足,。為了更好地利用風能，合理的選擇機型。現(xiàn)就水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機優(yōu)劣做一下比較：
一,、從結(jié)構(gòu)分析：1,、水平軸風力發(fā)電機。由于風力發(fā)電機是隨風變化的,，因此發(fā)出的電時有時無,，電壓和頻率不穩(wěn)定，是沒有實際應(yīng)用價值的,。風小時,，不發(fā)電?？耧L吹來,，又使風輪越轉(zhuǎn)越快，系統(tǒng)就會被吹跨,。為了解決這些問題,，水平軸風力增加了齒輪箱、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輪轉(zhuǎn)速（大型的風機通常為27轉(zhuǎn)/分）變?yōu)楹芨叩陌l(fā)電機轉(zhuǎn)速（通常為1500轉(zhuǎn)/分）,。同時也使得發(fā)電機易于控制，實現(xiàn)穩(wěn)定的頻率和電壓輸出,。
（2）,、偏航系統(tǒng)可以使風輪掃掠面積總是垂直于主風向，風輪沿水平軸旋轉(zhuǎn),，以便產(chǎn)生動力,。為此，機艙要在水平面360度旋轉(zhuǎn),，隨時跟風,，達到“迎風”目的。要知道,，大型的風機機艙總重幾十多噸,，使這樣一個系統(tǒng)隨時對準主風向也有相當?shù)募夹g(shù)難度。這個調(diào)節(jié)系統(tǒng)包含有風向檢測,、角位移發(fā)送,、角位移跟蹤閉環(huán)電力拖動系統(tǒng)。
（3）,、變槳矩系統(tǒng),，水平軸風輪機當風速變化時,為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,，要有漿距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，風輪的葉片要圍繞根部的中心軸旋轉(zhuǎn),，以便適應(yīng)不同的風況,。停機系統(tǒng)，葉片尖部要甩出,，以便形成阻尼,。即在風載荷下轉(zhuǎn)動漿葉一個角度。此扭矩非常大,，只有用液壓系統(tǒng)才行,。這個閉環(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)價格貴、維護難,。
（4）,、液壓系統(tǒng)就是用于調(diào)節(jié)葉片槳矩、阻尼,、停機,、剎車等狀態(tài)下使用。
（5）,、控制系統(tǒng)是風力發(fā)電機的神經(jīng)中樞,。就大型風機而言，一般在4米/秒左右的風速自動啟動,，在14米/秒左右發(fā)出額定功率,。然后，隨著風速的增加,，一直控制在額定功率附近發(fā)電,，直到風速達到25米/秒時自動停機。風機的控制系統(tǒng),，要在這樣惡劣的條件下,，根據(jù)風速、風向?qū)ο到y(tǒng)加以控制,，在穩(wěn)定的電壓和頻率下運行,，自動地并網(wǎng)和脫網(wǎng)。并監(jiān)視齒輪箱,、發(fā)電機的運行溫度,，液壓系統(tǒng)的油壓，對出現(xiàn)的任何異常進行報警,，必要時自動停機,。
2,、垂直軸風力機無需對風，不存在偏航功率損失,；葉片設(shè)計簡單,，完全可以自主設(shè)計,；機艙和齒輪箱可置于風輪下或地面,，維修費用更低；垂直軸風力機的噪音比水平軸更小,，噪聲污染降低,；此外，試驗室研究表明其風能利用系數(shù)不低于水平軸,。垂直軸風輪機不要迎風調(diào)節(jié)系統(tǒng),，可以接受360度方位中任何方向來風，主軸永遠向設(shè)計方向轉(zhuǎn)動,。
二,、從力學角度分析：葉片是風電機的“心臟”，葉片的性能直接關(guān)系到風電機的性能,。
1,、水平軸風力發(fā)電機：現(xiàn)有水平軸風力發(fā)電機葉片是參照直升飛機的螺旋槳設(shè)計的，屬于高風速葉片,。這種葉片結(jié)構(gòu)相似懸臂梁,，葉片上受到正面風載荷力和離心力,，會使根部產(chǎn)生很大彎矩的應(yīng)力,，大量事故都是葉片根部折斷。為此,，這種葉片強剛性能要求很高,，造價高昂，MW級風電機葉片非常巨大,，在高風速狀態(tài)產(chǎn)生強風載，風載的強度很驚人,，造成的后果就是大幅提高塔架和機組的強度和成本，造成風電機的強烈振動,，造成機械和疲勞損壞,，還容易形成沖擊電流,，影響并網(wǎng)的穩(wěn)定性。
2,、垂直軸風輪機，葉片兩頭與軸固定,，它的形狀不是由葉片的剛度來保證的。葉片是柔性的,，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)后無彎矩應(yīng)力,。葉片只受拉應(yīng)力,，用料少,、壽命長,，不易折斷。
所以,，葉片性能是造成風電機高昂成本的主要因素,，也是造成故障和高額維護費的主要因素,，我們要降低風電機成本,、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,、水平軸風機的機倉放置在高高的塔頂,，而且是一個可旋轉(zhuǎn)360度的活動聯(lián)接機構(gòu),，自身重達十幾噸至幾十噸，葉片上隨機風載荷達幾十噸,，重心高,、不穩(wěn)定、易翻倒,。由于高位放置安裝，維護不便,。
2,、垂直軸風力發(fā)電機的發(fā)電機、齒輪箱放在底部,，重心低、穩(wěn)定,、維護方便。由于塔架低矮,，降低了成本,。
總結(jié)上述：水平軸風力機設(shè)計技術(shù)復雜，重幾十噸的機艙需安裝在近百米的高空，功率存在偏航損失等,，這些都是國內(nèi)風電成本較高的原因,。垂直軸風力發(fā)電系統(tǒng)力學性能好,、結(jié)構(gòu)簡單、成本低,，具有競爭優(yōu)勢,。所以垂直軸風力發(fā)電機才是未來風電的發(fā)展方向,。
