王梦川 ：提高风电机单台装机容量的障碍及解决途径

在风电及水电的发展过程中不断提高着发电机的单台发电装机容量，逐渐趋向于装机巨型化，这是因为巨型发电机有着发电效率高、节约材料、便于并网、管理相对集中等等优点。目前水电单台装机容量已达到几十万千瓦甚至百万千瓦，但风电单机容量要达到一万千瓦就已属于世界顶级难度。风电行业发电效率最高的是水平轴风电机，目前水平轴风电机的叶轮与发电机的配置标准是一个叶轮配一个发电机一起安装在高高的塔架上，现在的6M瓦（六千千瓦）风电机的叶轮直径达到一百五十米，其发电机机箱大得如同厂房，其高空安装难度已非常大，在现有模式下要获得更大的单台装机容量就要制造更为庞大的设备而且安装在更高的塔架上，不仅难以制造而且难以完成安装。进一步加大叶轮的直径还会使叶轮利用风能的效率下降，这是因为随着叶轮直径的加大会使叶轮的各部分之间的旋转线速度的差值加大，比如：当叶轮上距离圆心70米处部位的旋转线速度为每秒20米时则叶轮上距离圆心7米处部位的旋转线速度仅为为每秒2米，假设叶轮上距离圆心最远处可达到280米当此处旋转线速度为每秒20米时则叶轮上距离圆心7米处部位的旋转线速度仅为为每秒0.5米，而叶轮离圆心远的部位的旋转线速度过高会使切向阻力过大，而限制叶轮的最大旋转线速度又会使叶轮离圆心近的部位旋转线速度过低，由于叶轮的最大旋转线速度必然因切向阻力受到限制，使得越是庞大的叶轮其旋转的角速度就越低使叶轮较为接近圆心的部位因旋转线速度过低而对风能的利用率也越低，单靠不断加大叶轮尺寸来提高单台装机容量不仅实际难度高，而且理论上叶轮大到一定程度后继续加大会使效率递减。所以应想法突破一个叶轮配一个发电机一起安装在塔架上的配置模式，寻求以多个叶轮驱动同一个巨型发电机的方法。这样做就需要将叶轮与发电机分开设置，以长距离的传动设施整合多个叶轮的动力而集中驱动同一发电机，可以只将叶轮设置在塔架上而将发电机设置在低处降低安装难度。但这样做还需要改变现有的对风偏航方式，现有的偏航方式是叶轮与发电机一起随着风向的改变而改变自身的朝向以保持最佳迎风姿态，新的配置模式下应该是发电机位置固定而叶轮独自追随风向而改变自身的朝向以保持最佳迎风姿态。所以提高风电机单台装机容量的关键在于：将叶轮与发电机分开设置在高空与地面，使多个叶轮通过长距离的传动设施整合动力集中驱动同一巨型发电机，而且偏航系统能使叶轮独自完成偏航保持最佳迎风姿态而发电机位置固定，并且偏航系统与长距离的传动设施能兼容不相冲突。关注和推进此领域的知识产权工作可促进本国风电业在风电装机巨型化的发展难点争取到竞争优势。