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小型风力发电:输出功率提高 为普及带来利好
作者:APC ‖ 时间:2016-4-12 ‖ 来源:日经BP社 ‖ 点击:1210

小型风力发电机正迎来全面普及期。与其他可再生能源相比,较高的电力收购价格对普及起到了推动作用。为了提高风轮的输出功率、降低设备的总体成本,业界进行了多项技术革新。

在2016年3月2日于东京有明国际会展中心开幕的为期3天的“日本第4届国际风力发电展”上,欧美、中国大陆、台湾、日本的厂商竞相展出了最新的小型风力发电机和正在开发的产品。各厂商都以性能及设置成本等为卖点,向参观者热情地宣传了自己的产品。

日本把输出功率不足20kW的产品定义为小型风力发电机。目前正在掀起这种小型风力发电机的安装热潮。对此起到推动作用的是售电价格高达光伏发电两倍以上的可再生能源固定价格收购制度(FIT)。

小型风力发电的收购价格为每度55日元。而光伏发电由于装机量剧增,日本经济产业省修改了价格,光伏的收购价格已于2015年7月下调至每度27日元(10kW以上)。因此,各小型风力发电机厂商的相关负责人都表示,“以前打算导入光伏发电系统的个人和企业开始对小型风力发电机产生兴趣”。而且,世界风能协会的报告显示,最近五年全球小型风力发电容量一直保持20%左右的年增长率。

小型风力发电机普及的原因还在于导入时比大型风力发电机轻松。风能与受风面积成正比,因此,风轮的叶片越长,输出功率越高。与小型风力发电机相比,大型发电机的输出效率更高,性价比方面也更有优势。但安装大型发电机需要很大面积,而且一般来说,叶片越长则产生的噪声及低频声音也越大。与最高为25m左右的小型风轮相比,100m以上的大型风轮还要考虑景观设计。以前也出现过因安装问题而引发诉讼纠纷,导致计划中断的情况。

目前,小型风轮与大型风轮的输出功率相差悬殊,因此小型风力发电不可能成为替代能源。但如果安装数量增加,小型风力发电机也有望为日本可再生能源提供一臂之力。

瞄准认证的举措日益活跃

适用FIT出售电力的条件是,必须使用获得日本海事协会型号认证的风轮。截止3月16日,注册的产品共有13款。因市场刮起顺风,因此,与风轮的形态及旋转控制相关的新技术也在积极开发之中。

小型风力发电机大体可分为水平轴型和垂直轴型两种。水平轴型的典型代表是大型风力发电机也经常使用的有3片叶片的螺旋桨型。这种产品的旋转轴与地面平行,风轮会追随风向旋转。发电效率高于垂直轴型。

而垂直轴型产品的旋转轴是与地面垂直安装固定的,特点是能从所有方向聚风。目前这类产品在日本获得型号认证的只有台湾新高能源科技(HI-VAWT Technology)的产品。

垂直轴型中有两种类型的产品,一种是输出功率低但风速较低时也能旋转的萨伏纽斯型,另一种是输出功率高但风速不够高时不会开始旋转的大流士型。新高能源公司将这两种类型组合到一起,配备在了一个风轮上。其产品具有两种方式的优点,可在低风速时开始转动,风速提高后,就能获得较高的输出功率。

日本自然风力发电公司同时在销售新高能源的这种垂直轴型产品和西班牙Ennera公司的水平轴螺旋桨型产品,该公司社长山本攻表示,“水平轴型适合用于海边等风向为水平方向的地方,而垂直轴型适合用于存在高低差的高地等有风的地方”。

大型轴承企业恩梯恩(NTN)也决定开发垂直轴型风力发电机。该公司打算从浜松市的初创企业GlobalEnergy手中购买其开发的叶片专利的使用权,目标是在2017年内获得型号认证并开始销售。

让风轮在风速很高时也不停转

风能与风速的3次方成正比。很多螺旋桨型风轮从每秒3m左右的风速开始有输出,在风速为每秒9m左右时,达到最高输出功率。但在台风及暴风等风速过强的情况,为了防止过度旋转导致的危险,会让风轮停止旋转。在风速很高能获得高输出功率时让风轮停止旋转,这非常浪费。因此,必须采取措施,让风轮不必在风速高时停止旋转。

爱尔兰的C&FGreenEnergy是生产最大级别输出功率的小型风轮的企业,该公司的“CF20”调整了叶片角度,从而可进行间距控制,能够在遇到强风时放掉一部分风,以免风轮过度旋转。由此,在风速为每秒25m以下时风轮都不会停止。这种功能一般大型风轮才具备,在小型风轮上十分少见。

日本一家风力发电初创企业Zephyr(东京都港区)开发的Airdolphin可在高风速时用电控制风轮的旋转,无论遇到多大的强风,风轮都能继续旋转。这是通过在叶片上使用重量轻、刚性出色的碳纤维来实现的。

而透镜风轮则可以在达到最高输出功率之前的中低风速下提高发电效率。

透镜风轮的最大特点在于包围在螺旋桨型风轮叶片外侧的环状“聚风体”。该产品由九州大学与该大学创办的企业Riamwind(福冈市)开发。九州大学应用力学研究所的大屋裕二教授介绍说,“利用聚风体形成风漩涡,可以增强风力。与同尺寸的螺旋桨型风轮相比,输出功率可提高到2~3倍”。

大屋教授目前正在努力开展实用化研究的是名为“多转子系统”的、在一个支柱上安装多个风轮的产品。2015年12月在九州大学内设置了装有三个3.1kW风轮的机型。通过配置3个透镜风轮,可以获得增强风力的乘积效应,发电量可提高10%左右,因此可以获得10kW的输出功率。这种可提高输出功率的改进只有小型风力发电机才能实现。

课题是降低设备成本

小型风力发电机的最大课题是设置成本较高。20kW的发电机的设置费用约为2000万~3000万日元。为了解决这一课题,日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)开展了产学合作,并已开始实施委托开发和共同开发。该机构在研发小型风力发电机的主要部件——电力转换装置等,还在推进部件的标准化,目标是将成本降低30%。

要想出售电力,就必须并网,将小型风力发电机提供的电力供应给电力公司的输电网。小型风力发电机的特性是发电量会随着风量频繁变化。以前各厂商都是自己开发具有最佳效果的功率调节器,如果能够实现标准化,就能省去多余的功能和部件。

估计今后各厂商除了风轮之外,还会在设备整体技术方面展开激烈竞争。

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