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将两项成熟技术合并升华
那么,这种有望“改写能源产业格局”的神奇技术是基于何种原理?
“这种垂直轴轮毂风力发电机组虽然以前没有,称得上是风电领域的一项重大创新,但其技术来源却是长期应用的工业化成熟技术,是对成熟技术的集成创新。早在1300多年前,中国古人已经做出垂直轴风帆风能动力车;随着火车客车照明的应用,列车用轮毂发电机也有了100多年的历史,今天广泛使用的电力机车、轻轨、动车、高铁都是这项技术的延伸和发展。”刘杭先说,“所以说,轮毂风力发电技术本身并不神奇,它就是这两项成熟技术的集成与升华。”
据介绍,该技术的核心是利用轮毂直接对大型垂直轴风力发电机组的线速度进行取电。通常垂直轴风力发电机组总是通过位于圆心位置的发电机进行取电,发电机的转速就是风力机的转速。一般来说,垂直轴风力发电机的转速为同样功率等级的水平轴风力发电机的一半以下,因此同等功率下,前者的发电机的转矩将高于后者,这就意味着垂直轴风力发电机的取电成本将居高不下。但实际上,即使在很低的转速下,大型垂直轴风力发电机组的线速度依然较快,可达到每小时几十公里至几百公里。因此,如果采用轮毂发电机直接对垂直轴风力机组的圆周速度进行取电,就可以把发电机的体积设计得较小,以有效降低发电机成本。同时,由于可配置的发电机数量较多,随着切入风速的变化,还可以选择部分或者全部的轮毂发电机进行发电,提高方案的灵活性与可靠性。
刘杭先进一步说明道,首先,垂直轴轮毂风力发电机组是利用圆周的线速度来发电,与水平轴风力发电机相比省去了中心高大的铁塔。其叶片速度和风能的利用速度一样,按年平均速度11米/秒计算,垂直轴发电机叶片尖速度为每小时40公里。按照同等风速计算,水平轴Vesta sv 164-8MW的叶片尖速度已达308公里。而低速的叶片更有价格优势。
其次,因为采用轮毂发电,可以把功率分布在多个小型发电机上,可以使发电机的设计和制造成本降低、灵活性提升(50千瓦发电机单价不超过1万元,推算出1兆瓦发电机总价不超过20万元)。正因为电机便宜,还可以增加电机数量以增加大风时的制动能力,根据风能变化调整电机数量,从而使得风电机组的成本进一步降低。
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