基本介紹
- 中文名：小型風力發電機
- 分類：水平軸風力發電機和垂直軸
- 功率：10千瓦至100千瓦
- 葉片數目：1~10片
定義,發展史,分類,按軸位置分類,按功率分類,軸的區別,設計方法,風能利用率,結構特點,起動風速,保養,普通型保養,精品型保養,套用擴展方案,套用場景,解決方案,方案特點,國家相關政策,市場潛力,
定義
一般把發電功率在10千瓦及其以下的風力發電機稱作小型風力發電機。
發展史
人類對風能的利用已有幾千年的歷史，最初主要是利用風力提水灌溉，及海水曬鹽和風力驅動的磨坊。這在當時是人類利用自然界的力量，利用風力和水力代替人力和畜力來驅動工作機械，提高了生產力。至於人類利用風能來驅動船隻航行，則可追溯到更久遠的年代。
我國較大規模地開發和套用風力發電機，特別是小型風力發電機，始於70年代，當時研製的風力提水機用於提水灌溉和沿海地區的鹽場，研製的較大功率的風力發電機套用於浙江和福建沿海，特別是在內蒙古地區由於得到了政府的支持和適應了當地自然資源和當地民眾的需求，小型風力發電機的研究和推廣得到了長足的發展。對於解決邊遠地區居住分散的農牧民民眾的生活用電和部分生產用電起了很大作用。
隨著世界範圍內對環境保護、全球溫室效應的重視，各國都競相發展包括風能在內的可再生能源的利用技術，將風能作為可持續發展的能源政策中的一種選擇，不論對併網型的大型風力發電機和適用於邊遠地區農牧戶的離網型小型風力發電機都給予了很大的政策支持。我國已有安裝併網的風力機的風力田24 處，總裝機容量26.8萬千瓦。小型風力機的保有量超過14萬台，使我國成為世界上小型風力發電機保有量最多的國家。
小型風力發電機組的組成：小型風力發電機組一般由下列幾部分組成：風輪、發電機、調速和調向機構、停車機構、塔架及拉索等，控制器、蓄電池、逆變器等。
①風輪：小型風力機的風輪大多用2~3個葉片組成，它是把風能轉化為機械能的部件。風輪葉片的材質主要有兩種。一種是玻璃鋼材料，一般用玻璃絲布和調配好的環氧樹脂在模型內手工糊制，在內腔填加一些填充材料，手工糊制適用於不同形狀和變截面的葉片但手工製作費工費時，產品質量不易控制。國外小風機也採用機械化生產等截面葉片，大大提高了葉片生產的效率和產品質量。
②發電機：小型風力發電機一般採用的是永磁式交流發電機，由風輪驅動發電機產生的交流電經過整流後變成可以儲存在蓄電池中的直流電。
③調向機構、調速機構和停車機構：為了從風中獲取能量，風輪旋轉面應垂直於風向，在小型風機中，這一功能靠風力機的尾翼作為調向機構來實現。同時隨著風速的增加，要對風輪的轉速有所限制，這是因為一方面過快的轉速會對風輪和風力機的其他部件造成損壞，另一方面也需要把發電機的功率輸出限定在一定範圍內。由於小型風力機的結構比較簡單，一般採用葉輪側偏式調速方式，這種調速機構在風速風向變化轉大時容易造成風輪和尾翼的擺動，從而引起風力機的振動。因此，在風速較大時，特別是蓄電池已經充滿的情況，應人工控制風力機停機。在有的小型風力機中設計有手動剎車機構，另外在實踐可採用側偏停機方式，即在尾翼上固定一軟繩，當需要停機時，拉動尾翼，使風輪側向於風向，從而達到停車的目的。
分類
按軸位置分類
按照風力發電機風輪軸的位置分，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。
（1）水平軸風力發電機：水平軸風力發電機的風輪圍繞一個水平軸旋轉，風輪軸與風向平行，風輪上的葉片是徑向安裝的，與旋轉軸垂直，並與風輪的旋轉平面成一角度（稱為安裝角）。風輪葉片數目為1~10片（大多為3片、5片、6片），它在高速運行時有較高的風能利用率，但啟動時需要較高的風速。
（2）垂直軸風力發電機：垂直軸風力發電機的風輪圍繞一個垂直軸旋轉，風輪軸與風向垂直。其優點是可以接受來自任何方向的風，因而當風向改變時，無需對風。
按功率分類
按風力發電機的功率可分為大、中、小、微型風力發電機。功率<1KW為微型1~10KW為小型風力發電機，功率在10千瓦至100千瓦的稱為中型風力發電機，功率在100千瓦以上的稱為大型風力發電機，更大的如兆瓦級。
但是隨著單機容量的突破，1MW及以上的逐漸被稱為中，大型風力機。小型的風力機單機容量幾百千瓦。
軸的區別
水平軸與垂直軸風力發電機的不同在以下幾個方面：
設計方法
水平軸風力發電機的葉片設計,普遍採用的是動量—葉素理論,主要的方法有Glauert法、Wilson法等。但是,由於葉素理論忽略了各葉素之間的流動干擾,同時在套用葉素理論設計葉片時都忽略了翼型的阻力,這種簡化處理不可避免地造成了結果的不準確性,這種簡化對葉片外形設計的影響較小,但對風輪的風能利用率影響較大。同時,風輪各葉片之間的干擾也十分強烈,整個流動非常複雜,如果僅僅依靠葉素理論是完全沒有辦法得出準確結果的。
垂直軸風力發電機的葉片設計,以前也是按照水平軸的設計方法,依靠葉素理論來設計。由於垂直軸風輪的流動比水平軸更加複雜,是典型的大分離非定常流動,不適合用葉素理論進行分析、設計,這也是垂直軸風力發電機長期得不到發展的一個重要原因。
風能利用率
大型水平軸風力發電機的風能利用率,絕大部分是由葉片設計方計算所得,一般在40%以上。如前所述,由於設計方法本身的缺陷,這樣計算所得的風能利用率的準確性很值得懷疑。當然,風電廠的風力發電機都會根據測得的風速和輸出功率繪製風功率曲線,但是,此時的風速是風輪後部測風儀測得的風速參見,要小於來流風速,風功率曲線偏高,必須進行修正。套用修正方法修正後,水平軸的風能利用率要降低30%～50%。對於小型水平軸風力發電機的風能利用率,中國空氣動力研究與發展中心曾做過相關的風洞實驗,實測的利用率在23%～29%。
結構特點
水平軸風力發電機的葉片在旋轉一周的過程中,受慣性力和重力的綜合作用,慣性力的方向是隨時變化的,而重力的方向始終不變,這樣葉片所受的就是一個交變載荷,這對於葉片的疲勞強度是非常不利的。另外,水平軸的發電機都置於幾十米的高空,這給發電機的安裝、維護和檢修帶來了很多的不便。
垂直軸風輪的葉片在旋轉的過程中的受力情況要比水平軸的好的多,由於慣性力與重力的方向始終不變,所受的是恆定載荷,因此疲勞壽命要比水平軸風輪長。同時,垂直軸的發電機可以放在風輪的下部或是地面,便於安裝和維護。
起動風速
水平軸風輪的起動性能好已經是個共識,但是根據中國空氣動力研究與發展中心對小型水平軸風力發電機所做的風洞實驗來看,起動風速一般在4～5m/s之間,最大的居然達到5.9m/s,這樣的起動性能顯然是不能令人滿意的。垂 直軸風輪的起動性能差也是業內的共識,特別是對於Darrieus式Ф型風輪,完全沒有自啟動能力,這也是限制垂直軸風力發電機套用的一個原因。但是,對於Darrieus式H型風輪,卻有相反的結論。根據筆者的研究發現,只要翼型和安裝角選擇合適,完全能得到相當不錯的起動性能,通過雙渦輪式垂直軸風力發電機、垂直軸風力發電機、鼠籠式垂直軸風力發電機的風洞實驗來看,這種Darrieus式H型風輪的起動風速只需要2m/s,優於上述的水平軸風力發電機。
保養
普通型保養
1、對所有轉動部件每年檢查，清洗，潤滑一次;
2、對鋼絲繩、索具和所有緊固連線件在每年雨季前進行一次清洗外表，塗敷防鏽油;
3、每運轉一年，對發電機軸承潤滑保養一次;
4、每兩年對風力機所有露天機件進行一次清潔，除銹，塗漆。
精品型保養
1、 露天機件均採用了不鏽鋼材或經過特殊的長效防鏽蝕處理，不必再對外表進行保養;
2、發電機採用了高級軸承和高級鋰基潤滑脂，在運轉5年之後對軸承進行檢查，必要時適量補充潤滑脂。
套用擴展方案
套用場景
分散式風力發電系統主要運用領域：可在農村、牧區、山區，發展中的大、中、小城市或商業區附近建造，解決當地用戶用電需求。
解決方案
分散式風力發電的原理，是利用風力帶動風車葉片旋轉，再透過增速機將旋轉的速度提升，來促使發電機發電。依據現有風車技術，大約是每秒三米的微風速度（微風的程度），便可以開始發電。風力發電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。系統主要由風力發電機、蓄電池、控制器、併網逆變器組成。
方案特點
運用釹鐵硼永磁材料，超載能力強；
封閉式輸電滑環，電纜不纏繞；
具有防腐、防酸雨、防鹽鹼的特性；
微型風機，2.5級風發電儲能；
使用壽命長達15年；
具風向調節，超強風控制功能；
過充過放保護，直流恆壓充電；
運行簡單，無人工值守與特殊維護；
實際占地面積少，對土地要求低，在山丘、海邊、河堤、荒漠等地形惡劣的條件下均可運用；
風輪不僅有同時還增加了立式及風葉的多種藝術造型。
國家相關政策
發展改革委關於印發
《分散式發電管理暫行辦法》的通知
發改能源〔2013〕1381號
各省、自治區、直轄市及計畫單列市、新疆生產建設兵團發展改革委、能源局，華能、大唐、國電、華電、中電投集團公司，國家電網公司、南方電網公司，中廣核、中節能集團公司，國家開發投資公司，中石油、中石化集團公司，中海油總公司，神華、中煤集團公司、中聯煤層氣公司：
為推動分散式發電套用，促進節能減排和可再生能源發展，我委組織制定了《分散式發電管理暫行辦法》。現印發你們，請按照執行。
發展改革委
2013年7月18日
分散式發電管理暫行辦法
第一章 總 則
第一條 為推進分散式發電發展，加快可再生能源開發利用，提高能源效率，保護生態環境，根據《中華人民共和國可再生能源法》、《中華人民共和國節約能源法》等規定，制定本辦法。
第二條 本辦法所指分散式發電，是指在用戶所在場地或附近建設安裝、運行方式以用戶端自發自用為主、多餘電量上網，且在配電網系統平衡調節為特徵的發電設施或有電力輸出的能量綜合梯級利用多聯供設施。
第三條 本辦法適用於以下分散式發電方式：
（一）總裝機容量5萬千瓦及以下的小水電站；
（二）以各個電壓等級接入配電網的風能、太陽能、生物質能、海洋能、地熱能等新能源發電；
（三）除煤炭直接燃燒以外的各種廢棄物發電，多種能源互補發電，餘熱余壓餘氣發電、煤礦瓦斯發電等資源綜合利用發電；
（四）總裝機容量5萬千瓦及以下的煤層氣發電；
（五）綜合能源利用效率高於70%且電力就地消納的天然氣熱電冷聯供等。
第四條 分散式發電應遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則，充分利用當地可再生能源和綜合利用資源，替代和減少化石能源消費。
第五條 分散式發電在投資、設計、建設、運營等各個環節均依法實行開放、公平的市場競爭機制。分散式發電項目應符合有關管理要求，保證工程質量和生產安全。
第六條 國務院能源主管部門會同有關部門制定全國分散式發電產業政策，發布技術標準和工程規範，指導和監督各地區分散式發電的發展規劃、建設和運行的管理工作。
第二章 資源評價和綜合規劃
第七條 發展分散式發電的領域包括：
（一）各類企業、工業園區、經濟開發區等；
（二）政府機關和事業單位的建築物或設施；
（三）文化、體育、醫療、教育、交通樞紐等公共建築物或設施；
（四）商場、賓館、寫字樓等商業建築物或設施；
（五）城市居民小區、住宅樓及獨立的住宅建築物；
（六）農村地區村莊和鄉鎮；
（七）偏遠農牧區和海島；
（八）適合分散式發電的其他領域。
第八條 目前適用於分散式發電的技術包括：
（一）小水電發供用一體化技術；
（二）與建築物結合的用戶側光伏發電技術；
（三）分散布局建設的併網型風電、太陽能發電技術；
（四）小型風光儲等多能互補發電技術；
（五）工業餘熱余壓餘氣發電及多聯供技術；
（六）以農林剩餘物、畜禽養殖廢棄物、有機廢水和生活垃圾等為原料的氣化、直燃和沼氣發電及多聯供技術；
（七）地熱能、海洋能發電及多聯供技術；
（八）天然氣多聯供技術、煤層氣（煤礦瓦斯）發電技術；
（九）其他分散式發電技術。
第九條 省級能源主管部門會同有關部門，對可用於分散式發電的資源進行調查評價，為分散式發電規劃編制和項目建設提供科學依據。
第十條 省級能源主管部門會同有關部門，根據各種可用於分散式發電的資源情況和當地用能需求，編制本省、自治區、直轄市分散式發電綜合規劃，明確分散式發電各重點領域的發展目標、建設規模和總體布局等，報國務院能源主管部門備案。
第十一條 分散式發電綜合規劃應與經濟社會發展總體規劃、城市規劃、天然氣管網規劃、配電網建設規劃和無電地區電力建設規劃等相銜接。
第三章 項目建設和管理
第十二條 鼓勵企業、專業化能源服務公司和包括個人在內的各類電力用戶投資建設並經營分散式發電項目，豁免分散式發電項目發電業務許可。
第十三條 各省級投資主管部門和能源主管部門組織實施本地區分散式發電建設。依據簡化程式、提高效率的原則，實行分級管理。
第十四條 國務院能源主管部門組織分散式發電示範項目建設，推動分散式發電發展和管理方式創新，促進技術進步和產業化。
第四章 電網接入
第十五條 國務院能源主管部門會同有關方面制定分散式發電接入配電網的技術標準、工程規範和相關管理辦法。
第十六條 電網企業負責分散式發電外部接網設施以及由接入引起公共電網改造部分的投資建設，並為分散式發電提供便捷、及時、高效的接入電網服務，與投資經營分散式發電設施的項目單位（或個體經營者、家庭用戶）簽訂併網協定和購售電契約。
第十七條 電網企業應制定分散式發電併網工作流程，以城市或縣為單位設立並公布接受分散式發電投資人申報的地點及聯繫方式，提高服務效率，保證無障礙接入。
對於以35千伏及以下電壓等級接入配電網的分散式發電，電網企業應按專門設定的簡化流程辦理併網申請，並提供諮詢、調試和併網驗收等服務。
對於小水電站和以35千伏以上電壓等級接入配電網的分散式發電，電網企業應根據其接入方式、電量使用範圍，本著簡便和及時高效的原則做好併網管理，提供相關服務。
第十八條 鼓勵結合分散式發電套用建設智慧型電網和微電網，提高分散式能源的利用效率和安全穩定運行水平。
第十九條 國務院能源主管部門派出機構負責建立分散式發電監管和併網爭議解決機制，切實保障各方權益。
第五章 運行管理
第二十條 分散式發電有關併網協定、購售電契約的執行及多餘上網電量的收購、調劑等事項，由國務院能源主管部門派出機構會同省級能源主管部門協調，或委託下級部門協調。
分散式發電如涉及供電營業範圍調整，由國務院能源主管部門派出機構會同省級能源主管部門根據相關法律法規予以明確。
第二十一條 分散式發電以自發自用為主，多餘電量上網，電網調劑餘缺。採用雙向計量電量結算或淨電量結算的方式，並可考慮峰谷電價因素。結算周期在契約中商定，原則上按月結算。電網企業應保證分散式發電多餘電量的優先上網和全額收購。
第二十二條 國務院能源主管部門派出機構會同省級能源主管部門組織建立分散式發電的監測、統計、信息交換和信息公開等體系，可委託電網企業承擔有關信息統計工作，分散式發電項目單位（或個體經營者、家庭用戶）應配合提供有關信息。
第二十三條 分散式發電投資方要建立健全運行管理規章制度。包括個人和家庭用戶在內的所有投資方，均有義務在電網企業的指導下配合或參與運行維護，保障項目安全可靠運行。
第二十四條 分散式發電設施併網接入點應安裝電能計量裝置，滿足上網電量的結算需要。電網企業負責對電能計量進行管理。
分散式發電在運行過程中應保存完整的能量輸出和燃料消耗計量數據。
第二十五條 擁有分散式發電設施的項目單位、個人及家庭用戶應接受能源主管部門及相關部門的監督檢查，如實提供包括原始數據在內的運行記錄。
第二十六條 分散式發電應滿足有關發電、供電質量要求，運行管理應滿足有關技術、管理規定和規程規範要求。
電網及電力運行管理機構應優先保障分散式發電正常運行。具備條件的分散式發電在緊急情況下應接受並服從電力運行管理機構的應急調度。
第六章 政策保障及措施
第二十七條 根據有關法律法規及政策規定，對符合條件的分散式發電給予建設資金補貼或單位發電量補貼。建設資金補貼方式僅限於電力普遍服務範圍。享受建設資金補貼的，不再給予單位發電量補貼。
享受補貼的分散式發電包括：風力發電、太陽能發電、生物質發電、地熱發電、海洋能發電等新能源發電。其他分散式發電的補貼政策按相關規定執行。
第二十八條 對農村、牧區、偏遠地區和海島的分散式發電，以及分散式發電的科學技術研究、標準制定和示範工程，國家給予資金支持。
第二十九條 加強科學技術普及和輿論宣傳工作，營造有利於加快發展分散式發電的社會氛圍。
第七章 附 則
第三十條 各省級能源主管部門會同國務院能源主管部門派出機構及價格、財政等主管部門，根據本辦法制定分散式發電管理實施細則。
第三十一條 本辦法自發布之日起施行。
市場潛力
進入2008年下半年以來，受國際巨觀形勢影響，中國經濟發展速度趨緩。為有力拉動內需，保持經濟社會平穩較快發展，政府加大了對交通、能源領域的固定資產投資力度，支持和鼓勵可再生能源發展。作為節能環保的新能源，風電產業贏得歷史性發展機遇。為全面推動經濟社會發展，部分仍存在缺點、無電居民的地區加快小型風電發展步伐，加大了解決邊遠地區民眾供電難問題的投資力度，有力推動了小型風電的進一步推廣。
中國風力等新能源發電行業的發展前景十分廣闊，預計未來很長一段時間都將保持快速發展。隨著中國風電設備的國產化，風光互補系統等新型技術的日漸成熟，小型風力發電的成本可望再降，經濟效益和社會效益提升，小型風力發電市場潛力巨大。小型風電機組相關設備製造、小型風電技術研發、風電路燈等領域成為投資熱點，市場前景看好。
