垂直軸風電技術的市場展望

摘要:本文根據我國的風能資源，結合我國國家和地方的產業政策，分析了風力發電前景，闡述了國內外風力發電現狀，得出我國自主研制開發的垂直軸風電技術適合中國國情，是對國內風力發電技術最好的補充。

關鍵詞:風能資源 風力發電 水平軸風力機 垂直軸風力機 垂直軸風電技術

1 我國的風能資源

根據全國900 多個氣象站陸地上離地10m 高度資料進行估算，全國平均風功率密度為100W/m2，風能資源總儲量約32.26億kW，可開發和利用的陸地上風能儲量有2.53億kW，近海可開發和利用的風能儲量有7.5億kW，共計約10億kW。如果陸上風電年上網電量按等效滿負荷2000小時計，每年可提供5000億千瓦時電量，海上風電年上網電量按等效滿負荷2500小時計，每年可提供1.8萬億千瓦時電量，合計2.3萬億千瓦時電量。

2 風力發電前景

“十一五規劃”期間全國新增風電裝機容量約300萬千瓦，平均每年新增60~80 萬千瓦，2010年底累計裝機約400～500萬千瓦。提供這樣的市場空間主要目的是培育國內的風電設備制造能力，國家發展改革委于2005 年7 月下發文件，要求所有風電項目采用的機組本地化率達到70%，否則不予核準。此后又下發文件支持國內風電設備制造企業與電源建設企業合作，提供50萬千瓦規模的風電市場保障，加快制造業發展。

目前國家規劃的主要項目有廣東省沿海和近海示范項目31萬千瓦;福建省沿海及島嶼22萬千瓦;上海市12萬千瓦;江蘇省45 萬千瓦;山東省21萬千瓦;吉林省33萬千瓦;內蒙古50萬千瓦;河北省32萬千瓦;甘肅省26萬千瓦;寧夏19萬千瓦;新疆22萬千瓦等。目前各省的地方政府和開發商均要求增加本省的風電規劃容量。僅水電水利規劃設計總院2005年1月～2006年5月期間組織審查的風電場工程項目已達2044.7兆瓦(見附表)，預計年風電需求在4000兆瓦左右，實際遠遠大于國家規劃值。

2020年規劃目標是2000～300萬千瓦，風電在電源結構中將有一定的比例，屆時約占全國總發電裝機10億千瓦容量的2～3%，總電量的1～1.5%。

2020年以后隨著化石燃料資源減少，成本增加，風電則具備市場競爭能力，會發展得更快。2030年以后水能資源大部分也將開發完，近海風電市場進入大規模開發時期。

3 國家和地方產業政策

2000年2月12日國家經貿委印發《關于加快風力發電技術裝備國產化的指導意見》，通知指出“加快風力發電場建設，鼓勵引進、消化、吸收先進技術，提高風力發電機組國產化技術水平，降低風力發電場建設和運行費用”

2006年1月1日正式實施的《可再生能源法》規定風力發電強制上網、全額收購、分類定價等原則。初步完成的《可再生能源中長期發展規劃》，未來15年，全國風力發電裝機容量將達到3000萬千瓦。以每千瓦裝機容量設備投資7000元計算，2020年以前我國新增風電裝機容量投資將超過2030億元，按設備費用占項目總投資59.25%計算，2020年前我國風電設備的市場容量高達1200億元，給風力發電發展描繪出了一幅美好的前景。

2006年7月國家發改委1204號文件明確提出，設備國產化率達不到70%以上的風電場不允許建設，進口設備關稅不能減免， 正是在這種背景下，風力發電迎來難得的黃金時機。許多跨國風電設備制造商“聞風而動”，準備在中國或獨資或合資建立自己的生產基地。

2006年11月，國家發展改革委和財政部聯合下發了《關于印發促進風電產業發展實施意見的通知》，將對風能資源詳查、風電研發體系、檢測認證體系和風電設備國產化給予政策支持。隨著國家有關配套政策的不斷完善，以及風電技術研發、人才培養和產業培育工作的加強，我國風電產業將呈現加快發展的趨勢。

2006年，國務院頒布《國務院關于加快振興裝備制造業的若干意見》，指出要選擇一批對國家經濟安全和國防建設有重要影響，對促進國民經濟可持續發展有顯著效果，對結構調整、產業升級有積極帶動作用，能夠盡快擴大自主裝備市場占有率的重大技術裝備和產品作為重點，加大政策支持和引導力度，實現關鍵領域的重大突破。首項即為研發大功率風力發電機組，可見國家對風力發電設備的關注。

4 國外技術現狀及發展

4.1 國外風力發電現狀 20世紀80年代，隨著世界能源危機的出現，發達國家和地區相繼制定了開發和保護可再生能源的法律制度，并配套出臺了利用可再生能源的優惠政策。可再生能源中，水力資源已基本布點完畢，進一步發展空間有限;太陽能光伏技術尚未能實現產業化突破;人們對核電的安全擔憂使核電發展緩慢;商業用的風力機組大量涌現，使得風力發電在世界范圍內發展起來。下圖為1995～2005十年間歐洲風電裝機統計情況。

丹麥、西班牙、德國、美國是世界上風力發電技術先進、應用廣泛的國家。在2000年統計的世界前十名風電機組制造商的市場份額中，丹麥品牌占了90%，丹麥Vestas 公司在天津建立了風力發電設備(中國)有限公司，目前已成為中國最大的風電設備制造外商，占有大約37%的市場份額。西班牙Gamesa公司是僅次于Vestas 公司風電設備制造商，在2005年中國進口風電設備中，該公司市場占有率達26%。此外，德國GE公司、西門子公司、Repower公司、弗倫德公司等也以其強大的資金優勢進行技術并購，快速涉足風電領域，逐步成為世界風電領域的知名品牌。

4.2 風力發電的技術現狀 風力發電機分為水平軸及垂直軸兩種型式(如下圖)，水平軸風力機商業化時間較早，目前世界范圍內風力機水平軸型式占絕大多數。按功率調節方式的不同，水平軸風力機又分為變漿距功率調節與定槳距失速功率調節兩種。目前水平軸風力機的發展趨勢之一是提高機組的經濟性，提高單機的發電容量等級和效率，降低單位造價及發電成本;另一個發展趨勢是大型化、變速運行、變漿距及無齒輪箱水平軸風力機組。現在世界上兆瓦級以下的的水平軸風力機組已具備了商業化價值，在2004年的漢諾威工博會上，4.5兆瓦的水平軸風力機組已面世。

垂直軸風力機主要是達里厄(Darrieus)型，分H型和φ型，從20世紀70年代才真正開始商業化的研究，但直到目前商業性應用還不多。隨著計算科學的發展、隨著垂直軸風力機在可靠性、可維修性等方面存在的顯著優點，近年來垂直軸風電技術逐漸引起人們的關注，德國和美國已經有300MW～600KW機組的商業型投放市場，引起了全球風電業的普遍關注。

從技術發展看，水平軸風力機目前是主流技術，而垂直軸風力機由于在關鍵技術取得突破而被廣泛關注。

4.2.1 傳統垂直軸風電技術未能實現大規模商業化的主要原因是:

①風力機葉型設計和效率計算問題

垂直軸風力機發明晚于水平軸，Darrieus式風輪出現于20世紀30年代，直到20世紀80年代才逐步有了商業化的應用。水平軸風力發電機的葉片設計目前普遍采用的是動量—葉素理論。垂直軸風力發電機的葉片設計以前也是按照水平軸的方法，依靠葉素理論來設計。由于垂直軸風輪的流動比水平軸更加復雜，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，計算結果誤差較大，這是垂直軸風力發電機長期得不到發展的一個重要原因。隨著計算機技術的不斷發展，計算流體力學(Computational Fluid Dynamics)得到了長足的進步，已經可以用CFD方法來設計垂直軸葉片，而水平軸葉片的設計還沒有辦法應用CFD方法來設計。尤其是H型垂直軸風輪，葉片的每個截面都一樣，可以簡化成二維情況，網格數大大下降，計算量也隨之下降。設計方法的先進性使垂直軸風力機快速發展存在可能性。

②風能利用率、發電效率問題

原來人們普遍認為垂直軸風輪的尖速比不可能大于1、風能利用率低。隨著科技的發展和人類認識水平的不斷提高，人們逐漸認識到垂直軸升力型風輪的尖速比可以大于1，H型垂直軸風力機的尖速比可以達到3乃至更高。

③葉片強度的問題

垂直軸風輪的葉片在旋轉的過程中由于慣性力與重力的方向始終不變，受力情況要比水平軸的好的多，但也存在一定的交變應力。傳統的玻璃鋼材料無法滿足垂直軸風力機葉片的制造和強度要求，而金屬葉片和骨架結構太重，影響了風力機的啟動，對連接點的強度影響很大，對軸承的破壞性很強，材料問題也是垂直軸風力機發展緩慢的一個重要原因。

④垂直軸風力機(包括H型)起步較晚，還沒有做到市場所需要的兆瓦級大功率機組。

4.2.2 近年，垂直軸技術取得了關鍵突破，重點在葉型設計、葉片材料、大型靜壓軸承應用等突破，使得垂直軸風力機具有以下明顯的優勢:

①啟動風速低，風能利用率高

達里厄(Darrieus)型風力機不需依靠風葉曲面構成捕風曲面，一般在風速3m/s即可正常發電，德國ROTODYN公司試驗型的H型600KW樣機的切入風速為2.5m/s，提高了風能利用率，使在低風區進行風力發電成為可能。

②可靠性高，發電效率高

垂直軸風力機無需對風裝置和變漿系統，任何風向均可使機器工作，機器傳動鏈的減少，提高了可靠性和發電效率。

③安裝和維護方便，成本低

垂直軸風力機的齒輪箱安裝地面，無需復雜的液壓系統，安裝時不需要很大的吊車，維護方便。從成本角度分析，因塔架降低可節省20%，無對風裝置可減少10%，易于安裝和維護，可節約成本15%。綜合考慮，垂直軸風力機具有比較明顯的成本優勢。

④環境效益好

垂直軸風力機的尖速比一般不超過5，風機的噪聲比較低，不會對環境產生污染，對鳥類的也基本上不會產生危害。

5 國內技術現狀和發展

目前我國電源結構中，燃煤火電占70%，而且負荷增長迅速，環境影響特別是減排CO2的壓力越來越大。我國國土資源遼闊，風資源豐富，2006年到2010年，“十一五”期間全國規劃新增風電裝機容量約300萬千瓦，平均每年新增60~80萬千瓦，按7000元/千瓦計算，每年新增產值達近60億元。目前，世界風電業巨頭紛紛在國內以獨資或以轉讓許可證的形式建廠生產風電設備，風力發電行業發展迅猛，勢頭異常火爆，風電設備供不應求。

目前中國國內風電市場基本上是水平軸風力機一統天下，水平軸較大型風電機組制造企業已經有30多家。其中新疆金風、浙江運達很早就生產風電機組，經驗豐富，生產研發同步進行，但主要以800KW左右的中小功率機組為主;上海電氣、東方汽輪機、大連重工、北重汽輪機等引進了兆瓦級變漿變速風電機組技術，且均為原電力設備制造企業，與發電公司有著長久的合作關系;國電公司、廣東明陽、常州牽引、沈陽華創等也憑借著雄厚的經濟實力積極涉足風電市場，形成了競爭非常激烈的水平軸風電機組制造業市場。

我國風能資源雖然十分豐富，但集中于個別幾個省區，大部分地區常年風速達不到水平軸風力發電機組的最佳應用風速而不能有效地利用風力資源。垂直軸風力發電機組最大優勢就是低風速啟動，能在低風速、弱風區獲得良好的效率。到目前為止，國內垂直軸風力發電設備在國內還是剛剛起步，僅有幾家研究機構對其進行研究，而試驗樣機模型僅為幾十千瓦的機型，達不到現在風電設備大型化的商業要求。研制開發具有自主知識產權、且適合中國國情的垂直軸風力機組，是對國內風力發電技術最好的補充。