垂直轴风机产业化分析报告

1、垂直轴风机产业化分析报告风电产业发展趋势分析风力发电作为全球公认可以有效减缓气候变化、提高能源安全、促进低碳产业经济增长的方案，得到各国政策制定机构、投融资机构、技术研发机构、项目开发商等的高度关注。截止到200年812月底，全球的总装机容量已经超过了1.亿2千瓦，200年8，全球风电增长速度为28.，7新%增装机容量达到270万0千瓦，同比增长36.2，欧洲、北美和亚洲仍然是世界风电发展的三大主要市场。除了传统的风电大国之外，英国、法国、加拿大、澳大利亚、日本，以及东欧的波兰等国也开始加速发展风电，200年8，接近10个0国家开始发展风电，风电累计装机超过30万0千瓦的国家已经达到8个（20

2、年0还0只有5个），超过10万0千瓦的已经有13个。风电已经成为世界范围内被普遍接受的替代能源技术。我国风能资源非常丰富，理论蕴藏量约为32.亿2千6瓦，初步估算可开发的装机容量就有2.5亿3千瓦，在世界位于前列。风能发电行业具有形成商业化、规模化发展的资源潜力。截止到20年0，9中国风电累计总装机规模为2580万千瓦，开发率仅为（中国气象局最新研究成果表明，我国陆地上高度风能资源潜在开发量约为亿千瓦，近海水深线以内区域的可装机容量约亿千瓦）。为了应对金融危机，中国政府把发展风电作为改善能源结构的重要手段和新的经济增长点。目前国家能源局正在制定有关新能源产业振兴的规划，主要是加快推进新能源产业

3、的发展。在新能源产业的各子行业中，风电将是未来的发展重点。目前不仅各大电力集团，而且有关的国有企业、民营企业、外资企业也纷纷地进军中国风力发电行业，风力发电发展呈现出前所未有的蓬勃景象。有数据显示，国内风电整机生产企业已超70家，超过全球其他地区风电设备厂商总和。此外，由于中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，使得市场竞争日益激烈化。由于国内各风机制造企业走的都是引进路线，致使风电成本居高不下，部分企业甚至出现亏损，风电市场几家欢喜几家愁。因此，中国风电制造商必将面临一场优胜劣汰的洗牌过程。日前，金风、华锐、东气等几大巨头正准备孕育一场价格战，企图兼并或

4、拖垮中小型风机制造商，确立市场垄断地位。在当前的严峻形势下，如何降低度电成本，提高市场竞争力，成为风机制造企业未来的发展方向。开发风电机组的大型化与新机型一直是国际风能领域的研究热点，其目的都是为了进一步降低风力发电成本。风能与风速的三次方和风轮的扫掠面积成正比，风速愈高、风轮直径愈大、风电的投资就愈经济，风电机组不断朝着大功率的方向发展。目前试运行的最大风电机组是德国公司生产的水平轴风电机组，的风电机组正在研制中。许多国家开发新型垂直机组结构，如达里厄型、浓缩风能型风电机组等，目的就是为了降低风力发电的成本。垂直轴风机发展概况垂直轴风机的研究开始于20世纪中期，最早的垂直轴风力发电机是一种圆

5、弧形双叶片的结构（F型或称为达里厄），由于其受风面积小，相应的启动风速较高、自启动性能差、主轴易引起谐振、刹车制动难度大、效率低、并网困难等原因，一直未得到大力发展，我国也在前几年做了一些尝试，但效果始终不理想。200年2，我国率先开始了新型垂直轴风力发电机的研究，由部队通讯部牵头，上海某公司为研发主体，西安军电、西安交大、同济大学、复旦大学等高校的多位专家配合，在短短的一年时间里就生产出了首台新型垂直轴风力发电机。并在不到年的时间里将功率扩展至，处于世界领先地位。世界上其他国家也都进行了新型垂直轴风力发电机的研制，日本在200年2初开始研究，年初产品投放市场，功率在之间。美国、英国、德国、奥

6、地利、韩国等国家也都生产出样机，准备投入规模化生产，但功率都在很小。目前，国内垂直轴风机研究机构不断增多，由中国航天科工海鹰集团、中国机械科学院等十多个单位的共同研制开发的我国第一台垂直轴风机配套叶片，在化德县成功制出。它的研制成功填补了国内的一项空白。瑞发水电设备有限责任公司与哈尔滨发电设备研究中心根据国内风电市场需求专门合作开发设计了新型垂直轴永磁风力发电机，该发电机使用变速恒频直联技术，改变了目前国内国际市场上风力发电机的横轴、齿轮增速易损坏、难维护的缺点，单位千瓦造价可节省4，。%同时，该发电机的诞生改变了目前国内国际市场上的风电95都%是引进瑞典和德国的设计和工艺的现状；填补了完全由

7、我国国内自有技术设计、生产的国内技术空白，在国际处于领先水平；该产品已发往张家口风电场进行安装。山东大学自主研制的垂直轴磁悬浮小型风机已经完成样机试运行，独特的磁悬浮设计技术有利于降低启动风速、提高风能利用率。级以上磁悬浮垂直轴风机正处于设计阶段，机组机械强度及载荷计算仅依赖通用设计软件进行分析，机组安全控制策略尚没有进行深入分析研究。设计技术尚没有得到实践验证，严重阻碍了产业化进程。垂直轴风力发电技术概述垂直轴风力机可分为两个主要类型，一类是利用空气动力的阻力做功，典型的结构是型风轮;另一类是利用翼型的升力做功，最典型的是达里厄型风力机。达里厄风力机有多种形式，中型、型、型和菱形。基本上是直

8、叶片和弯叶片两种，以中型、型风轮为典型。垂直轴风力发电技术采用空气动力学原理，针对垂直算，计算原理是采用离散数技术进彳汝气动系轴旋转的风洞模拟，用字方法求解翼形断面的）载荷计算气动力；用网格方法对雷诺数流动涡量分布进行比较，形成高雷诺数下对方程进行数字模拟计算。)功率特性根据型风力发电机的原理，风轮的转速上升速度提高较快(力矩上升速度快)，它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线变得饱满。在同样功率下，垂直轴风力发电机的额定风速较现有水平轴风力发电机要小，并且它在低风速运转时发电量也较大。结构垂直轴风力机设计结构采用了特殊空气洞力学原理、三角形向量法的连接方式以及直驱式结构的原理，使得风轮的受

9、力主要集中于轮毂上，因此抗风能力较强；此种设计的特性还体现在对周围环境的影响上，运转时无噪音以及电磁干扰小等特点使得新型垂直轴风力发电机优越性非常明显。垂直轴风机特点安全性由于垂直轴风机采用了垂直叶片，主要受力点集中于轮毂，因此，叶片脱落、断裂和叶片飞出等问题得到了较好的解决。噪音垂直轴风机采用了水平面旋转以及叶片优化设计，使得噪音降低到在自然环境下测量不到的程度。抗风能力垂直轴风机的水平旋转和多支点设计原理，使得它受风压力小，极限生存风速较高。回转半径垂直轴风机由于其设计结构和运转原理的不同，比其他形式风力发电具有更小的回转半径，节省了空间，同时提高了效率。发电曲线特性由于垂直轴风机的运转特

10、性，它的启动风速低于其他形式的风力发电机，发电功率的上升幅度较平缓，低风速下发电量较其他类型的风力发电机高10%-。30%6）运行维护由于垂直轴风机采用直驱式永磁发电机，无需齿轮箱和转向机构，定期（一般每半年）对运转部件的连接进行检查即可。垂直轴风机与水平轴风机的对比分析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。然而目前广泛使用的大型水平轴风力发电机存在很多不足。为了更好地利用风能，合理的选择机型。现就水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机的优劣做一下比较：1）设计方法由于风轮结构原因，水平轴风力机普遍采用动量-叶素理论进行分析，忽略了较多因素，对于复杂的流动过程，不够准确

11、；垂直轴风力机可以用先进的方法精确分析出复杂的流动过程。）结构垂直轴风力发电机系统结构简单，由塔架、垂直轴发电机、鼠笼状支架、翼片、整流罩、风速仪、计算机控制系统等部件构成，故其重量轻、故障率低，安装、维护方便。而水平风力发电机系统除了螺旋叶片、水平轴发电机外，由于需要自动寻找风向，设有偏航装置，其旋转支撑以上部分非常笨重（兆瓦级机头重量达到上百吨，其中包括发电机、增速机、翼片、螺距调整机构、整流罩、风向实时自寻迹机构等）其旋转支撑机构故障率高。）叶片特点垂直轴风力机的叶片形式多样，但总体来说，都是基本的几何构型，易于加工。叶片受风旋转时利用升力与阻力的矢量和在叶片运动方向上的投影产生机械能。

12、叶片可全方位接受来风，无需偏航装置。可多次截风，充分利用风能，同时塔影效应与风剪作用也较小。水平轴风力机的风叶类似于荷兰风车，形状复杂，加工难度高。叶片受风旋转时只能利用升力产生机械能，不能利用阻力产生机械能。叶片只能利用单方向来风，必须安装昂贵的偏航装置实现风叶对风，只有一次截风机会，同时塔影效应与风剪作用也较大。4）力学角度垂直轴风轮机，叶片两头与轴固定，它的形状不是由叶片的刚度来保证的。叶片是柔性的，转轴旋转后无弯矩应力。叶片只受拉应力，用料少、寿命长，不易折断。水平轴风力发电机叶片是参照直升飞机的螺旋桨设计的，属于高风速叶片。这种叶片结构相似悬臂梁，叶片上受到正面风载荷力和离心力，会使

13、根部产生很大弯矩的应力，大量事故都是叶片根部折断。为此，这种叶片强刚性能要求很高，造价高昂，级风电机叶片非常巨大，在高风速状态产生强风载，风载的强度很惊人，造成的后果就是大幅提高塔架和机组的强度和成本，造成风电机的强烈振动，造成机械和疲劳损坏，还容易形成冲击电流，影响并网的稳定性。）风况要求垂直轴风力发电机可以在风速小的情况下进行风力发电，可以在风力资源较弱的地区安装使用。而水平风轮发电机系统启动风速需要大的多，这是传统风力发电机与之无法相比较的。垂直轴风力发电机系统处于飓风或超设计风速状态时，整流罩可以形成一个流线型圆桶，不易损坏系统任何部件。而水平风轮发电机翼片装置虽有螺距调整装置，在遇到

14、飓风或超设计风速状况下可将螺距调整至升力为零并锁死，但仍不能保障翼片等部件不被损坏。6）土地利用率垂直轴风力发电机系统风场的安装布局可以根据安装风机的高度不同，在同样大小的面积上进行立体布局，（同一个风场面积安装的风力发电机是传统风力发电机的3倍）最大程度的利用风场的土地面积。而水平风轮发电机系统的安装布局只能按照平面布局，风机的安装彼此间须距离39个旋转叶片的直径，比较之下，土地利用率低。7）风能利用效率目前，大型水平轴风力发电机的风能利用率绝大部分是由叶片设计方计算所得，一般在40以%上。由于设计方法本身的缺陷，这样计算所得的风能利用率的准确性很值得怀疑。当然，风电厂的风力发电机都会根据测

15、得的风速和输出功率绘制风功率曲线，但是此时的风速是风轮后部测风仪测得的风速，要小于来流风速，这样测下来的风功率曲线偏高，必须进行修正。实际上，水平轴的风能利用率要降低30%-左5右0。%对于小型水平轴风力发电机的风能利用率，中国空气动力研究与发展中心曾作过相关的风洞实验，实测的利用率在23%-左2右9。%由于以前一直用叶素理论计算垂直轴风轮的风能利用率，得出了利用率不如水平轴的结论，但国外研究机构经过实验表明垂直轴风轮的风能利用率在40以%上。另外，在实际环境中风向是经常变化的，水平轴风轮的迎风面不可能始终对着风，这就引起了“对风损失”，而垂直轴风力发电机系统可瞬间响应任何风向的风能面并加以利

16、用，能够自动适应任何风向玫瑰图、风能玫瑰图的复杂风场。因此，在考虑了对风损失之后，垂直轴风轮的风能利用率完全有可能超过水平轴风轮。8）运行情况水平轴风力机尖速比较高，约为5-，9气动噪声大，叶片受交变载荷，易疲劳变形。垂直轴风力机尖速比较低，约为-基本不产生气动噪声，叶片受恒定载荷，耐用不易损坏。）其他方面水平轴风力机的发电机架设在高空，安装维修的成本很高。垂直轴风力机的发电机位于低处甚至地面，极大的方便了安装和维修，制造和维护成本较低。垂直轴风机市场前景近年来，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

17、所。200年6全球风电资金中9投%向了中国，总额达16.亿2欧元（约162亿元人民币）。200年7，中国风电装机容量已排名世界第五。中国巨大的风电市场以及廉价的劳动力成本，吸引了大量国外风电巨头纷纷在中国设厂，或采取与国内企业合资的方式，生产的产品都被贴上了中国制造的标签。中国制造的风电设备产品占据越来越大的市场份额，风机产品正在经历一个由全球制造向中国制造的转变。由于风电属于新能源范畴，无论是成本还是技术同传统的火电、水电相比还有较大的差距，因而风电的快速发展需要国家政策的大力扶持。纵观风电发展迅速的国家如德国、西班牙、印度，无一例外地都给予风电产业巨大的政策优惠。中国对风电的政策支持由来已

18、久，力度也越来越大，政策支持的对象也由过去的注重发电转向了注重扶持国内风电设备制造。国家的政策支持将是风电设备制造业迅猛发展的根本保障，随着中国国产风机设备的自主制造能力不断加强，国家的政策支持力度也将越来越大，风电设备制造业面临难得的历史发展机遇。风力发电被称为清洁能源并能起到很好的风车作用，但随着越来越多大型风电厂的建立，一些由水平轴风力机所引发的风车问题开始凸显，如设计的缺陷导致在高速下旋转的叶片切割气流产生很大的气动噪音，很多鸟类在这样的高速叶片下也很难幸免，叶片受力情况复杂、需要偏航系统对风、机舱在塔架顶部不易维修等因素，使得水平轴风力机的制造成本和运营维护成本较高。科技的发展和人类

19、认识水平的不断提高，垂直轴风机以其在节能风车和性价比上的突出优势，得到越来越多机构和个人的重视，并在积极的研发过程中取得了长足的发展。成熟的垂直轴风机基于其先进的设计方法，弥补了水平轴风力机的缺陷，以启动风速低、风能利用率高和无噪声等众多优点，具备了更加广阔的市场应用前景。垂直轴风机产业化可行性分析1）核心技术目前，国内级垂直轴风机技术缺乏，研究处于起步阶段，而国外相对成熟，尤其是美国，已经有批量装机的经验。因此，垂直轴风机产业化必须依赖国外技术。但技术引进必须结合国内风资源状况及风电设备制造商情况，选择合适的技术，易于国产化，有效降低成本。）制造技术目前，我国风电设备制造业刚刚兴起，产业链发展并不是很完善，风电整机制造受关键零部件瓶颈制约较为严重。兆瓦级以下的风力发电机组主要零部件已经实现了国产化，并且可以批量供应。但兆瓦级以上风机的核心配件仍然存在较大缺口，本土厂商