淺談全新垂直軸式風力發(fā)電機的經(jīng)濟價值與應用前景

盧曉柱　劉開源

摘要：汽車作為我們?nèi)粘５拇焦ぞ?，已?jīng)穿梭在我們身邊的每一條馬路。然而，以汽油為主要燃料提供動力的汽車，不僅排放出污染空氣的氣體，而且面臨著石油資源日漸枯竭的危機。風力作為大自然的無盡資源，能以此為發(fā)電動力為電動汽車提供無盡的電能，是新能源的汽車未來發(fā)展的趨勢之一。本文將分析系統(tǒng)機械結構的全反差垂直軸式風力發(fā)電機，探討解決新能源電力汽車的電力需求問題，以期為社會的節(jié)能和環(huán)保提供好的方向與思路。

關鍵詞：新能源；電力汽車；垂直風力發(fā)電機；經(jīng)濟價值

一、前言

風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)是國家“十二五”重點支持發(fā)展的新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)。作為新能源經(jīng)濟全產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分，開發(fā)風力發(fā)電與利用，對于優(yōu)化新能源風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)結構，形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈條具有重要的推動意義。全新垂直軸式風力發(fā)電機充分利用風能資源，符合國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，它擁有自己獨特的優(yōu)勢，勢必將進一步帶動電力產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

二、風力發(fā)電機技術介紹

1、組成。該發(fā)電系統(tǒng)是利用一般公路（車輛穩(wěn)定），高速公路、高速鐵路形成的非自然風及自然風發(fā)電用于解決一切用電設備（如收費站、電子廣告牌、交通警示燈等）以及一些風力穩(wěn)定的廣大民用場所（如村莊路燈，指示燈）等的電力問題，還可以與太陽能發(fā)電形成互補用途，該系統(tǒng)主要由垂直軸式風力發(fā)電機、控制電路、整流器、穩(wěn)壓電路、逆變器、蓄電池等部分組成?？刂蒲b置：由于風力的大小時刻變化，必須根據(jù)風力大小及電能需要量的變化及時通過控制裝置來實現(xiàn)對風力發(fā)電機組的啟動、調(diào)節(jié)（轉速、電壓、頻率）、停機、故障保護（超速、震動、超負荷等）可以采用微機控制。逆變器：將直流電轉換為交流負載所需要的交流電。 蓄電池：選用合適的深循環(huán)能力較好的鉛酸蓄電池。

2、工作原理。垂直軸風力機風輪的轉軸周圍，有一對或若干個凹凸曲面的葉片，當它們處于不同方位時，相對于它的來流方向所受的推力 F 是不同的，從而使風產(chǎn)生一個繞中心軸的力矩，使風輪轉動。當風吹向風輪，葉片產(chǎn)生的驅(qū)動力 F 可以用下式表示：F=1/2ρS V^2 Cd

式中：ρ為空氣密度，S 是風輪的截面積，V 是風速，Cd是空氣動力系數(shù)。

不同的迎風形狀，對應著不同的空氣動力系數(shù)。當凹面的葉片迎風時，Cd為 1.33；當凸面的葉片迎風時，Cd為 0.34。故對于葉片產(chǎn)生的阻力，向下凹時的阻力大于上凸時阻力，從而產(chǎn)生一個阻力差使風輪旋轉。對于阻力型垂直軸風力機，來流風速要大于風輪的旋轉速度，即葉尖速比 λ<1，通常都在 0.8～1.0 之間，因此，阻力型垂直軸風力機能夠自啟動、轉矩大；此外，在任意方向的來流風速下，垂直軸風力機都能夠自行啟動。

垂直軸式風力機將車輛產(chǎn)生的尾流轉化成機械能，其輸出的機械功率直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機，將機械能轉化成電能。當風力發(fā)電機輸出的電能除供給負載還有剩余時，蓄電池將這些電能儲存；當發(fā)電機輸出的電能不足以滿足負載要求時，則由蓄電池給負載供電。蓄電池的能量可以直接供直流負載使用，也可以經(jīng)逆變器變成交流電為交流負載供電。

3、工作過程。其工作過程是很有趣的，行駛在右行車道的汽車會產(chǎn)生一個右前的風力，相反行駛在左車道的汽車則會產(chǎn)生一個向左的風力，如果這兩股方向相反的風力同時產(chǎn)生或者有一定時間差地在風力發(fā)電機的葉輪兩側，二者就會形成同一個時針方向的力，這個力達到一定程度，就足以帶動葉旋轉動，進而就達到風力發(fā)電的目的。那么在什么條件下，風力發(fā)電所帶動的電效率最大或最小呢？通過實驗驗證，只有當這兩股風力同時加在葉輪的兩邊時， 徑向力矩最大時所產(chǎn)生的電效率才最大；相反風力發(fā)電機發(fā)電效率也隨時間差的增大而減小。

三、風力發(fā)電機的經(jīng)濟價值

電動汽車作為新能源汽車，有著環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點，但是電能的持續(xù)供給是一大問題。如果電動汽車行駛在高速公路上，電能不能滿足為汽車提供動力。汽車就會因電能不足無法前行。及時快速的充電是解決這一問題的方法之一。我們提出以下應用設想：

建設風力發(fā)電機網(wǎng)點。普通公路和高速公路都設有加油站，以便汽車能夠及時地加油。風力發(fā)電機網(wǎng)點可以根據(jù)加油站的設置為根據(jù)，在加油站附近建立風力發(fā)電機。本系統(tǒng)機械結構的發(fā)動采用全反差垂直軸式風力發(fā)電機，該機體積小、啟動風速低、額定工作大。經(jīng)測算，每公里高速公路可安裝150臺風力發(fā)動機，每臺日均發(fā)電3.6度以上。如能大面積推廣使用，充分利用高速公路上的自然風能和行駛車輛產(chǎn)生的非自然風能發(fā)電，緩解化石能源供應日趨緊張、環(huán)境惡化日益加劇的局面，經(jīng)濟效益可觀，必能為改善能源結構、減少碳排放做出貢獻。

經(jīng)過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，高速行駛的車輛驅(qū)動的風力發(fā)電系統(tǒng)主要有如下幾個優(yōu)勢：①結構簡單，帶動葉輪轉動所需要的風速比較容易獲得，并且葉輪的轉動不會受風向改變而改變，它可以承受來自四面八方的風力，并且可以將其轉化為風能進而進行發(fā)電，不要求風向這就可以避免在安裝設備的時候考慮設置的擺放，也不需要安裝回轉裝置和對風裝置，所需的裝置簡單，結構也獲得很大的優(yōu)化，減少造價成本。既可以利用自然風，也可以利用非自然風發(fā)電，操作簡單易得。②無陀螺力，對機組安全運行、發(fā)電有利。③垂直軸風力發(fā)電機的齒輪箱在機組的底部，重心低、運轉穩(wěn)定、壽命長； 塔架較矮，且發(fā)電機傳動、減速制動等裝置，都在機組下方，安裝、維修方便。④強、大風時，減速、停機操作容易，效果較好。⑤外觀精美：垂直軸風力發(fā)電機的葉片形狀可塑變化性強，可做成各種形狀，外形樣式多，外觀獨特精美，體積輕巧、適應多種地區(qū)環(huán)境的使用；且面積能適當增大，以備作其他功能用。⑥環(huán)保性好：風力發(fā)電是利用大自然的風而發(fā)電，相比傳統(tǒng)的火力發(fā)電，風力發(fā)電它是一種清潔能源，對自然環(huán)境所帶來的危害小，可以有效的保護環(huán)境。但是隨著風力發(fā)電的運用越來越廣泛，一些由風力發(fā)電機處置不當而引發(fā)的環(huán)保問題也在日益突出，這些問題主要暴漏在所帶來的噪音次危害以及對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的影響。電動汽車可以在電量不足的情況下通過此發(fā)電機所儲蓄的電能及時充電，就會進一步解決電動汽車缺電的問題。

四、風力發(fā)電機的應用前景

1、綠色環(huán)保，社會/環(huán)境/經(jīng)濟效益“三贏”。全新垂直軸式風力發(fā)電機貫徹了“以人為本，可持續(xù)發(fā)展”的綠色環(huán)保理念，符合國家產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整指導戰(zhàn)略，屬于國家支持發(fā)展的產(chǎn)業(yè)內(nèi)容。同時，通過大力發(fā)展風力發(fā)電產(chǎn)品，有利于強化公眾的環(huán)境保護意識，創(chuàng)業(yè)項目有較好的市場獲利空間，所衍生的資金流、物流、信息流、人流，還將產(chǎn)生一定的經(jīng)濟拉動效應。因而，能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境效益、社會效益、經(jīng)濟效益的“三贏”。

2、和諧發(fā)展，助力環(huán)保經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈條。風力發(fā)電系統(tǒng)是環(huán)保經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)鏈的重要組成部分，對于優(yōu)化新能源的產(chǎn)業(yè)結構，形成完整的新能源開發(fā)產(chǎn)業(yè)鏈條具有重要意義。目前，從風力發(fā)電機的生產(chǎn)、推廣、應用到技術推廣環(huán)節(jié)，國內(nèi)已有比較成熟的技術、相應的營銷網(wǎng)絡和廣闊的需求市場，但在垂直軸式風力發(fā)電利用方面尚缺乏規(guī)?；I(yè)化的技術應用體系建設，直接影響到風力發(fā)電的廣闊利用空間。進一步發(fā)展垂直軸式風力發(fā)電機，將進一步促進電能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

五、結語

垂直軸式風力發(fā)電機綜合以上的優(yōu)勢特點，勢必促進我國電能產(chǎn)業(yè)的改革與發(fā)展。它的廣泛應用不僅能充分利用風力資源，而且能進一步解決電動汽車充電的問題，其將有很大的經(jīng)濟價值與應用前景。（作者單位：河南師范大學商學院）

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