摆翼式立轴风力机将使风电普及 - 文章

摆翼式立轴风力机将使风电普及

作者：南京航空航天大学郑衍杲

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摘要：因风力机造价太贵，而使风电成本比火电成本高出2/3，所以风电虽无污染，能再生是十分理想的清洁而又可持续发展的能源，却无法推广。摆翼式立轴风力机已开发成发电成本比火电还低二成多的250瓦微型风力机产品，完全可以进一步发展300千瓦以上的巨型风力机。这就可普遍推广风电，改变以火电为主的世界能源格局，大大缓解大气污染变暖的危害。文章论述了该风力机的特色，分析了其造价特低的原因。最后希望“十五”规划研讨大规模发展大、中、小型风力发电机政策性问题。

风能无污染，可再生，是十分理想的清洁而又可持续发展的能源，但却很难推广。目前，全球风能所发的电是微不足道的。根据1996年9月的统计资料表明，美国加利福尼亚州风电约占全球风电总量的80%，但只相当于该州总发电量的1%多一点。当今世界能源格局是火电约占80%，其余的为核电和水电。风电不能推广的根本原因是风力机造价太高，当前风电每度（kwh）约5美分，而火电只有3美分[1]。

从国外资料看，风电在1981年为每度7美分，到1993年就降低到每度5美分[1]。美国能源署期望到2000年能达到4美分[2]。风电成本很难迅速降低，主要是由现代水平轴旋桨式风力机本身的局限性造成的。

摆翼式立轴风力机是一种全新的风力机。最近开发成功的250瓦微型风力发电机显示出很高的技术经济指标，使风电成本急降到2.4美分，比火电还低。在价格规律支配下，风能已有条件进行全面推广，从而替代火电成为新世纪的主要能源。

与同类产品相比，摆翼式立轴风力机的技术经济指标提高了三倍多，如下表所示：

产品
容量（瓦）额定风速（米/秒）重量（公斤）价格（元）
摆翼式立轴风力机 250 8 20 800
南航司达牌风力机 200 8 115 2100

按使用寿命只算10年，满负荷率18%计算，该产品可发电：

10 × 365 × 24 × 0.18 × 0.25=3945 (kwh)

所以，每度只需要0.202元，折合2.4美分，比火电还便宜二成多。如果开发出大型、巨型风力机，风电的成本将会降得更低。摆翼式立轴风力机所以能有如此卓越的技术经济指标，是有其内在原因的。与现代水平轴风力机相比，它有以下特点：

1) 不需要迎风机构

立轴式风力机不存在风向改变的问题，所以无需迎风机构。而水平轴风力机不但不可没有迎风机构，而且还需要将全部风力发电机组搬上塔顶，这是是十分不方便的。

2) 简单有效的自动化气动力布局

如果将飞机的两个翼片竖立安装在两侧，就构成一个立轴风力机。由于风对两侧翼片所生的力相互抵消，因此这风力机将不会启转。现在世界范围内立轴风力机的设计专利有上百种，有使用附加翼面的，也有使用连杆、凸轮等机械装置的，都相当复杂，难以经济有效地实现，只有Darrius式立轴风力机例外。但它在风小时会停转，因此不会自行启动。美国能源署的Sandia国家实验室专门研究开发这种风力机，已有产品可与水平轴风力机竞争，但尚未超过它。

摆翼式立轴风力机利用气动力原理，将翼片偏摆轴置于其空气动力中心之前，在风的作用下，翼片在两侧自动摆向相反的一边，因而产生同一方向的力矩，协力驱动风力机转动。其结构极为简单，详见图一。

图一摆翼式立轴风力机作用原理

图一给出了风力机的俯视图，绘出了上风和下风位置中翼片所处工作状态下速度和气动力的矢量图。风从左侧来，在上风时，翼片相对气流的流速为V1，其作用点即空气动力中心a1在偏摆中心，即支点P1之后，因而使翼片前缘摆向外侧，受定位钉s1的限制，停在所示位置。这时的攻角是α1，相应产生升力L1和阻力D1的合力R1，对风力机立轴产生一个驱动力矩f1r（r是风力机的半径）；而在下风时，气动力使翼片前缘向内摆，停在定位钉s2的位置上，这时攻角为α2，产生的驱动力矩是f2r，继续推动风力机转动。

3) 特大风时自动卸载

摆翼式立轴风力机的翼片在遇到灾难性的特大风时能自动顺桨，使其攻角为零，从而使翼片负荷几乎完全解除，大风过后再自动恢复。这使风力机的强度计算风速从50米/秒以上下降到25米/秒，风压减少4倍多，所以整个风力机可以设计得十分轻巧，大大降低了造价。这在表一风力机的重量中得到了充分反应。

4) 简单有效的离心力控制的恒速装置

摆翼式立轴风力机的调速装置很简单，亦很有效。因为翼片偏摆时的定位钉是受离心力控制的，因此转速超过定额时定位钉向内移动，减小攻角，从而减小驱动力矩，使风力机回到额定转速，反之亦然。实验结果显示在风速或负载改变时，风力机转速保持恒定。这有利于发电机频率的设定。

5)采用销齿轮增速

风力机本身转速很低，必须增速十多倍才能用来驱动发电机，因此发电机极笨大，很不经济。而大传动比增速齿轮箱的造价很贵。因此，我们采用了销齿轮驱动进行增速，一级就解决问题。用滚动轴承的滚柱体作销齿，十分便宜，使增速机构价格大大降低。销齿组的机械效率较差，但这可以用增大风力机直径和翼片长度的办法来补偿。后者所增费用不大，总的技术经济指标可大大提高。

6) 先进的工艺设计

在产品设计中，尽可能采用钣金冷加工、电阻焊、塑料、胶接、玻璃钢等新工艺，以利于进行大批生产，提高生产效率，大幅度降低生产成本，也尽量保证互换性，使维护组装方便，以便于售后服务。

由于以上这些特色，才使得摆翼式立轴风力机能有杰出的表现。

使风能普及，以代替火电，可以大大改善大气污染，缓解气候变暖的危害，这当然是值得追求的事业。摆翼式立轴风力机的高经济效益，已经使原为制约因素的价格规律转变为强大的推动力。依靠市场，风能开发就能够自行推广普及，不需要国家大量投资。但政府的引导扶持也是十分重要的，有三个方面的问题需要引起注意：

一是小型风力机作为节能装置大量推广的问题。

小型、微型风力发电机如为家庭所采用，就能得到大范围推广。因此，开发利用大范围风能资源，其总体容量非常可观，作为一种节能措施，是值得重视的。

小型风力发电机的独立运行有储能的问题。这可用蓄电池解决，以便于无风时有电可用，有风不用电时将电能储存。由于蓄电池价格高、维护难，使用电成本大大提高，因此并不受欢迎，这就难以使小型风电得以普及，达不到大范围节约电能的目的。现在国内绝大部分乡村已通电，为使小型风力发电机能够挂电网，以使无风时保证供电，有风不用电时可将电能反馈到电网储存起来，这样便可将用电成本大大降低，从而受到广大用户欢迎，而这对电厂并无任何损失。但该技术急需解决电能反馈问题，同时也增加了电网控制难度。但为了节能，很值得尝试，希望政府能倡导并加以规范。

二是巨型风力发电机问题。

巨型风力发电机本来与电网联接，不存在上述问题。但巨型机还有待开发，我们预备先进行3千瓦小型机的开发，待取得经验后再开发300千瓦的巨型机。这需要投入一定的人力和财力，更需要政府的扶持。

三是要培养一支技术力量。

风力发电是一门综合性很强的工程技术，涉及空气动力、结构力学、飞机制造工艺、机械制造工艺、电机工程和自动控制等多种学科，可以在有条件的高等院校设置专业，只招研究生，培养一批技术人才，以进一步发展风力发电的工程技术。

参考文献
1、“High-Tech windmill’s Future Burns Bright” R&D Magazine, Aug. 1992, p38.
2、“Harnessing the Wind” IEEE Spectrum. Nov.1995,p78.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/10/2005)


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