王夢川 ：提高風電機單臺裝機容量的障礙及解決途徑

在風電及水電的發展過程中不斷提高著發電機的單臺發電裝機容量，逐漸趨向于裝機巨型化，這是因為巨型發電機有著發電效率高、節約材料、便于并網、管理相對集中等等優點。目前水電單臺裝機容量已達到幾十萬千瓦甚至百萬千瓦，但風電單機容量要達到一萬千瓦就已屬于世界頂級難度。風電行業發電效率最高的是水平軸風電機，目前水平軸風電機的葉輪與發電機的配置標準是一個葉輪配一個發電機一起安裝在高高的塔架上，現在的6M瓦（六千千瓦）風電機的葉輪直徑達到一百五十米，其發電機機箱大得如同廠房，其高空安裝難度已非常大，在現有模式下要獲得更大的單臺裝機容量就要制造更為龐大的設備而且安裝在更高的塔架上，不僅難以制造而且難以完成安裝。進一步加大葉輪的直徑還會使葉輪利用風能的效率下降，這是因為隨著葉輪直徑的加大會使葉輪的各部分之間的旋轉線速度的差值加大，比如：當葉輪上距離圓心70米處部位的旋轉線速度為每秒20米時則葉輪上距離圓心7米處部位的旋轉線速度僅為為每秒2米，假設葉輪上距離圓心最遠處可達到280米當此處旋轉線速度為每秒20米時則葉輪上距離圓心7米處部位的旋轉線速度僅為為每秒0.5米，而葉輪離圓心遠的部位的旋轉線速度過高會使切向阻力過大，而限制葉輪的最大旋轉線速度又會使葉輪離圓心近的部位旋轉線速度過低，由于葉輪的最大旋轉線速度必然因切向阻力受到限制，使得越是龐大的葉輪其旋轉的角速度就越低使葉輪較為接近圓心的部位因旋轉線速度過低而對風能的利用率也越低，單靠不斷加大葉輪尺寸來提高單臺裝機容量不僅實際難度高，而且理論上葉輪大到一定程度后繼續加大會使效率遞減。所以應想法突破一個葉輪配一個發電機一起安裝在塔架上的配置模式，尋求以多個葉輪驅動同一個巨型發電機的方法。這樣做就需要將葉輪與發電機分開設置，以長距離的傳動設施整合多個葉輪的動力而集中驅動同一發電機，可以只將葉輪設置在塔架上而將發電機設置在低處降低安裝難度。但這樣做還需要改變現有的對風偏航方式，現有的偏航方式是葉輪與發電機一起隨著風向的改變而改變自身的朝向以保持最佳迎風姿態，新的配置模式下應該是發電機位置固定而葉輪獨自追隨風向而改變自身的朝向以保持最佳迎風姿態。所以提高風電機單臺裝機容量的關鍵在于：將葉輪與發電機分開設置在高空與地面，使多個葉輪通過長距離的傳動設施整合動力集中驅動同一巨型發電機，而且偏航系統能使葉輪獨自完成偏航保持最佳迎風姿態而發電機位置固定，并且偏航系統與長距離的傳動設施能兼容不相沖突。關注和推進此領域的知識產權工作可促進本國風電業在風電裝機巨型化的發展難點爭取到競爭優勢。