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小型風力發(fā)電機
功率在10千瓦及以下的發(fā)電機
基本信息
| 中文名 | 小型風力發(fā)電機 |
| 功率 | |
| 分類 | 水平軸風力發(fā)電機 和垂直軸 |
| 葉片數目 | 1~10片 |
定義
一般把發(fā)電功率在10千瓦及其以下的風力發(fā)電機稱作小型風力發(fā)電機。
發(fā)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。至于人類利用風能來驅動船只航行，則可追溯到更久遠的年代。
我國較大規(guī)模地開發(fā)和應用風力發(fā)電機，特別是小型風力發(fā)電機，始于70年代，當時研制的風力提水機用于提水灌溉和沿海地區(qū)的鹽場，研制的較大功率的風力發(fā)電機應用于浙江和福建沿海，特別是在內蒙古地區(qū)由于得到了政府的支持和適應了當地自然資源和當地群眾的需求，小型風力發(fā)電機的研究和推廣得到了長足的發(fā)展。對于解決邊遠地區(qū)居住分散的農牧民群眾的生活用電和部分生產用電起了很大作用。
隨著世界范圍內對環(huán)境保護、全球溫室效應的重視，各國都競相發(fā)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(xù)發(fā)展的能源政策中的一種選擇，不論對并網型的大型風力發(fā)電機和適用于邊遠地區(qū)農牧戶的離網型小型風力發(fā)電機都給予了很大的政策支持。我國已有安裝并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14萬臺，使我國成為世界上小型風力發(fā)電機保有量最多的國家。
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(huán)氧樹脂在模型內手工糊制，在內腔填加一些填充材料，手工糊制適用于不同形狀和變截面的葉片但手工制作費工費時，產品質量不易控制。國外小風機也采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(fā)電機：小型風力發(fā)電機一般采用的是永磁式交流發(fā)電機，由風輪驅動發(fā)電機產生的交流電經過整流后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，風輪旋轉面應垂直于風向，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(xiàn)。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(fā)電機的功率輸出限定在一定范圍內。由于小型風力機的結構比較簡單，一般采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，另外在實踐可采用側偏停機方式，即在尾翼上固定一軟繩，當需要停機時，拉動尾翼，使風輪側向于風向，從而達到停車的目的。
分類
按軸位置分類
（1）水平軸風力發(fā)電機：水平軸風力發(fā)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，并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。
按功率分類
按風力發(fā)電機的功率可分為大、中、小、微型風力發(fā)電機。功率<1KW為微型1~10KW為小型風力發(fā)電機，功率在10千瓦至100千瓦的稱為中型風力發(fā)電機，功率在100千瓦以上的稱為大型風力發(fā)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(qū)別
水平軸與垂直軸風力發(fā)電機的不同在以下幾個方面：
設計方法
水平軸風力發(fā)電機的葉片設計，普遍采用的是動量—葉素理論，主要的方法有Glauert法、Wilson法等。但是，由于葉素理論忽略了各葉素之間的流動干擾，同時在應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，整個流動非常復雜，如果僅僅依靠葉素理論是完全沒有辦法得出準確結果的。
風能利用率
大型水平軸風力發(fā)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，由于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(fā)電機都會根據測得的風速和輸出功率繪制風功率曲線，但是，此時的風速是風輪后部測風儀測得的風速參見，要小于來流風速，風功率曲線偏高，必須進行修正。應用修正方法修正后，水平軸的風能利用率要降低30%～50%。對于小型水平軸風力發(fā)電機的風能利用率，中國空氣動力研究與發(fā)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(fā)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，這對于葉片的疲勞強度是非常不利的。另外，水平軸的發(fā)電機都置于幾十米的高空，這給發(fā)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，由于慣性力與重力的方向始終不變，所受的是恒定載荷，因此疲勞壽命要比水平軸風輪長。同時，垂直軸的發(fā)電機可以放在風輪的下部或是地面，便于安裝和維護。
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(fā)展中心對小型水平軸風力發(fā)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(yè)內的共識，特別是對于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(fā)電機應用的一個原因。但是，對于Darrieus式H型風輪，卻有相反的結論。根據筆者的研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)電機、垂直軸風力發(fā)電機、鼠籠式垂直軸風力發(fā)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(yōu)于上述的水平軸風力發(fā)電機。
保養(yǎng)
應用擴展方案
應用場景
分布式風力發(fā)電系統(tǒng)主要運用領域：可在農村、牧區(qū)、山區(qū)，發(fā)展中的大、中、小城市或商業(yè)區(qū)附近建造，解決當地用戶用電需求。
解決方案
分布式風力發(fā)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(fā)電機發(fā)電。依據現(xiàn)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(fā)電。風力發(fā)電正在世界上形成一股熱潮，因為風力發(fā)電不需要使用燃料，也不會產生輻射或空氣污染。系統(tǒng)主要由風力發(fā)電機、蓄電池、控制器、并網逆變器組成。
國家相關政策
發(fā)展改革委關于印發(fā)
發(fā)改能源〔2013〕1381號
各省、自治區(qū)、直轄市及計劃單列市、新疆生產建設兵團發(fā)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(jié)能集團公司，國家開發(fā)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(lián)煤層氣公司：
為推動分布式發(fā)電應用，促進節(jié)能減排和可再生能源發(fā)展，我委組織制定了《分布式發(fā)電管理暫行辦法》。現(xiàn)印發(fā)你們，請按照執(zhí)行。
發(fā)展改革委
2013年7月18日
分布式發(fā)電管理暫行辦法
第一章 總 則
第一條 為推進分布式發(fā)電發(fā)展，加快可再生能源開發(fā)利用，提高能源效率，保護生態(tài)環(huán)境，根據《中華人民共和國可再生能源法》、《中華人民共和國節(jié)約能源法》等規(guī)定，制定本辦法。
第二條 本辦法所指分布式發(fā)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(fā)自用為主、多余電量上網，且在配電網系統(tǒng)平衡調節(jié)為特征的發(fā)電設施或有電力輸出的能量綜合梯級利用多聯(lián)供設施。
第三條 本辦法適用于以下分布式發(fā)電方式：
（一）總裝機容量5萬千瓦及以下的小水電站；
（三）除煤炭直接燃燒以外的各種廢棄物發(fā)電，多種能源互補發(fā)電，余熱余壓余氣發(fā)電、煤礦瓦斯發(fā)電等資源綜合利用發(fā)電；
（五）綜合能源利用效率高于70%且電力就地消納的天然氣熱電冷聯(lián)供等。
第四條 分布式發(fā)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 分布式發(fā)電在投資、設計、建設、運營等各個環(huán)節(jié)均依法實行開放、公平的市場競爭機制。分布式發(fā)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布式發(fā)電產業(yè)政策，發(fā)布技術標準和工程規(guī)范，指導和監(jiān)督各地區(qū)分布式發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃、建設和運行的管理工作。
第二章 資源評價和綜合規(guī)劃
第七條 發(fā)展分布式發(fā)電的領域包括：
（一）各類企業(yè)、工業(yè)園區(qū)、經濟開發(fā)區(qū)等；
（二）政府機關和事業(yè)單位的建筑物或設施；
（三）文化、體育、醫(yī)療、教育、交通樞紐等公共建筑物或設施；
（四）商場、賓館、寫字樓等商業(yè)建筑物或設施；
（五）城市居民小區(qū)、住宅樓及獨立的住宅建筑物；
（六）農村地區(qū)村莊和鄉(xiāng)鎮(zhèn)；
（七）偏遠農牧區(qū)和海島；
（八）適合分布式發(fā)電的其他領域。
第八條 目前適用于分布式發(fā)電的技術包括：
（一）小水電發(fā)供用一體化技術；
（三）分散布局建設的并網型風電、太陽能發(fā)電技術；
（四）小型風光儲等多能互補發(fā)電技術；
（五）工業(yè)余熱余壓余氣發(fā)電及多聯(lián)供技術；
（八）天然氣多聯(lián)供技術、煤層氣（煤礦瓦斯）發(fā)電技術；
（九）其他分布式發(fā)電技術。
第九條 省級能源主管部門會同有關部門，對可用于分布式發(fā)電的資源進行調查評價，為分布式發(fā)電規(guī)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，根據各種可用于分布式發(fā)電的資源情況和當地用能需求，編制本省、自治區(qū)、直轄市分布式發(fā)電綜合規(guī)劃，明確分布式發(fā)電各重點領域的發(fā)展目標、建設規(guī)模和總體布局等，報國務院能源主管部門備案。
第十一條 分布式發(fā)電綜合規(guī)劃應與經濟社會發(fā)展總體規(guī)劃、城市規(guī)劃、天然氣管網規(guī)劃、配電網建設規(guī)劃和無電地區(qū)電力建設規(guī)劃等相銜接。
第三章 項目建設和管理
第十二條 鼓勵企業(yè)、專業(yè)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并經營分布式發(fā)電項目，豁免分布式發(fā)電項目發(fā)電業(yè)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(qū)分布式發(fā)電建設。依據簡化程序、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布式發(fā)電示范項目建設，推動分布式發(fā)電發(fā)展和管理方式創(chuàng)新，促進技術進步和產業(yè)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布式發(fā)電接入配電網的技術標準、工程規(guī)范和相關管理辦法。
第十六條 電網企業(yè)負責分布式發(fā)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，并為分布式發(fā)電提供便捷、及時、高效的接入電網服務，與投資經營分布式發(fā)電設施的項目單位（或個體經營者、家庭用戶）簽訂并網協(xié)議和購售電合同。
第十七條 電網企業(yè)應制定分布式發(fā)電并網工作流程，以城市或縣為單位設立并公布接受分布式發(fā)電投資人申報的地點及聯(lián)系方式，提高服務效率，保證無障礙接入。
對于以35千伏及以下電壓等級接入配電網的分布式發(fā)電，電網企業(yè)應按專門設置的簡化流程辦理并網申請，并提供咨詢、調試和并網驗收等服務。
對于小水電站和以35千伏以上電壓等級接入配電網的分布式發(fā)電，電網企業(yè)應根據其接入方式、電量使用范圍，本著簡便和及時高效的原則做好并網管理，提供相關服務。
第十九條 國務院能源主管部門派出機構負責建立分布式發(fā)電監(jiān)管和并網爭議解決機制，切實保障各方權益。
第五章 運行管理
第二十條 分布式發(fā)電有關并網協(xié)議、購售電合同的執(zhí)行及多余上網電量的收購、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(xié)調，或委托下級部門協(xié)調。
分布式發(fā)電如涉及供電營業(yè)范圍調整，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(guī)予以明確。
第二十一條 分布式發(fā)電以自發(fā)自用為主，多余電量上網，電網調劑余缺。采用雙向計量電量結算或凈電量結算的方式，并可考慮峰谷電價因素。結算周期在合同中商定，原則上按月結算。電網企業(yè)應保證分布式發(fā)電多余電量的優(yōu)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布式發(fā)電的監(jiān)測、統(tǒng)計、信息交換和信息公開等體系，可委托電網企業(yè)承擔有關信息統(tǒng)計工作，分布式發(fā)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 分布式發(fā)電投資方要建立健全運行管理規(guī)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(yè)的指導下配合或參與運行維護，保障項目安全可靠運行。
分布式發(fā)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 擁有分布式發(fā)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(jiān)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 分布式發(fā)電應滿足有關發(fā)電、供電質量要求，運行管理應滿足有關技術、管理規(guī)定和規(guī)程規(guī)范要求。
電網及電力運行管理機構應優(yōu)先保障分布式發(fā)電正常運行。具備條件的分布式發(fā)電在緊急情況下應接受并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(guī)及政策規(guī)定，對符合條件的分布式發(fā)電給予建設資金補貼或單位發(fā)電量補貼。建設資金補貼方式僅限于電力普遍服務范圍。享受建設資金補貼的，不再給予單位發(fā)電量補貼。
享受補貼的分布式發(fā)電包括：風力發(fā)電、太陽能發(fā)電、生物質發(fā)電、地熱發(fā)電、海洋能發(fā)電等新能源發(fā)電。其他分布式發(fā)電的補貼政策按相關規(guī)定執(zhí)行。
第二十八條 對農村、牧區(qū)、偏遠地區(qū)和海島的分布式發(fā)電，以及分布式發(fā)電的科學技術研究、標準制定和示范工程，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，營造有利于加快發(fā)展分布式發(fā)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，根據本辦法制定分布式發(fā)電管理實施細則。
第三十一條 本辦法自發(fā)布之日起施行。
市場潛力
進入2008年下半年以來，受國際宏觀形勢影響，中國經濟發(fā)展速度趨緩。為有力拉動內需，保持經濟社會平穩(wěn)較快發(fā)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(fā)展。作為節(jié)能環(huán)保的新能源，風電產業(yè)贏得歷史性發(fā)展機遇。為全面推動經濟社會發(fā)展，部分仍存在缺點、無電居民的地區(qū)加快小型風電發(fā)展步伐，加大了解決邊遠地區(qū)群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。
參考資料
[1]
分布式發(fā)電管理暫行辦法 · 國務院[引用日期2015-11-11]
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