浅谈全新垂直轴式风力发电机的经济价值与应用前景

卢晓柱　刘开源

摘要：汽车作为我们日常的代步工具，已经穿梭在我们身边的每一条马路。然而，以汽油为主要燃料提供动力的汽车，不仅排放出污染空气的气体，而且面临着石油资源日渐枯竭的危机。风力作为大自然的无尽资源，能以此为发电动力为电动汽车提供无尽的电能，是新能源的汽车未来发展的趋势之一。本文将分析系统机械结构的全反差垂直轴式风力发电机，探讨解决新能源电力汽车的电力需求问题，以期为社会的节能和环保提供好的方向与思路。

关键词：新能源；电力汽车；垂直风力发电机；经济价值

一、前言

风力发电产业是国家“十二五”重点支持发展的新兴战略产业。作为新能源经济全产业链的重要组成部分，开发风力发电与利用，对于优化新能源风力发电产业结构，形成完整的产业链条具有重要的推动意义。全新垂直轴式风力发电机充分利用风能资源，符合国家可持续发展战略，它拥有自己独特的优势，势必将进一步带动电力产业的发展。

二、风力发电机技术介绍

1、组成。该发电系统是利用一般公路（车辆稳定），高速公路、高速铁路形成的非自然风及自然风发电用于解决一切用电设备（如收费站、电子广告牌、交通警示灯等）以及一些风力稳定的广大民用场所（如村庄路灯，指示灯）等的电力问题，还可以与太阳能发电形成互补用途，该系统主要由垂直轴式风力发电机、控制电路、整流器、稳压电路、逆变器、蓄电池等部分组成。控制装置：由于风力的大小时刻变化，必须根据风力大小及电能需要量的变化及时通过控制装置来实现对风力发电机组的启动、调节（转速、电压、频率）、停机、故障保护（超速、震动、超负荷等）可以采用微机控制。逆变器：将直流电转换为交流负载所需要的交流电。 蓄电池：选用合适的深循环能力较好的铅酸蓄电池。

2、工作原理。垂直轴风力机风轮的转轴周围，有一对或若干个凹凸曲面的叶片，当它们处于不同方位时，相对于它的来流方向所受的推力 F 是不同的，从而使风产生一个绕中心轴的力矩，使风轮转动。当风吹向风轮，叶片产生的驱动力 F 可以用下式表示：F=1/2ρS V^2 Cd

式中：ρ为空气密度，S 是风轮的截面积，V 是风速，Cd是空气动力系数。

不同的迎风形状，对应着不同的空气动力系数。当凹面的叶片迎风时，Cd为 1.33；当凸面的叶片迎风时，Cd为 0.34。故对于叶片产生的阻力，向下凹时的阻力大于上凸时阻力，从而产生一个阻力差使风轮旋转。对于阻力型垂直轴风力机，来流风速要大于风轮的旋转速度，即叶尖速比 λ<1，通常都在 0.8～1.0 之间，因此，阻力型垂直轴风力机能够自启动、转矩大；此外，在任意方向的来流风速下，垂直轴风力机都能够自行启动。

垂直轴式风力机将车辆产生的尾流转化成机械能，其输出的机械功率直接驱动永磁同步发电机，将机械能转化成电能。当风力发电机输出的电能除供给负载还有剩余时，蓄电池将这些电能储存；当发电机输出的电能不足以满足负载要求时，则由蓄电池给负载供电。蓄电池的能量可以直接供直流负载使用，也可以经逆变器变成交流电为交流负载供电。

3、工作过程。其工作过程是很有趣的，行驶在右行车道的汽车会产生一个右前的风力，相反行驶在左车道的汽车则会产生一个向左的风力，如果这两股方向相反的风力同时产生或者有一定时间差地在风力发电机的叶轮两侧，二者就会形成同一个时针方向的力，这个力达到一定程度，就足以带动叶旋转动，进而就达到风力发电的目的。那么在什么条件下，风力发电所带动的电效率最大或最小呢？通过实验验证，只有当这两股风力同时加在叶轮的两边时， 径向力矩最大时所产生的电效率才最大；相反风力发电机发电效率也随时间差的增大而减小。

三、风力发电机的经济价值

电动汽车作为新能源汽车，有着环保节能等优点，但是电能的持续供给是一大问题。如果电动汽车行驶在高速公路上，电能不能满足为汽车提供动力。汽车就会因电能不足无法前行。及时快速的充电是解决这一问题的方法之一。我们提出以下应用设想：

建设风力发电机网点。普通公路和高速公路都设有加油站，以便汽车能够及时地加油。风力发电机网点可以根据加油站的设置为根据，在加油站附近建立风力发电机。本系统机械结构的发动采用全反差垂直轴式风力发电机，该机体积小、启动风速低、额定工作大。经测算，每公里高速公路可安装150台风力发动机，每台日均发电3.6度以上。如能大面积推广使用，充分利用高速公路上的自然风能和行驶车辆产生的非自然风能发电，缓解化石能源供应日趋紧张、环境恶化日益加剧的局面，经济效益可观，必能为改善能源结构、减少碳排放做出贡献。

经过调查研究发现，高速行驶的车辆驱动的风力发电系统主要有如下几个优势：①结构简单，带动叶轮转动所需要的风速比较容易获得，并且叶轮的转动不会受风向改变而改变，它可以承受来自四面八方的风力，并且可以将其转化为风能进而进行发电，不要求风向这就可以避免在安装设备的时候考虑设置的摆放，也不需要安装回转装置和对风装置，所需的装置简单，结构也获得很大的优化，减少造价成本。既可以利用自然风，也可以利用非自然风发电，操作简单易得。②无陀螺力，对机组安全运行、发电有利。③垂直轴风力发电机的齿轮箱在机组的底部，重心低、运转稳定、寿命长； 塔架较矮，且发电机传动、减速制动等装置，都在机组下方，安装、维修方便。④强、大风时，减速、停机操作容易，效果较好。⑤外观精美：垂直轴风力发电机的叶片形状可塑变化性强，可做成各种形状，外形样式多，外观独特精美，体积轻巧、适应多种地区环境的使用；且面积能适当增大，以备作其他功能用。⑥环保性好：风力发电是利用大自然的风而发电，相比传统的火力发电，风力发电它是一种清洁能源，对自然环境所带来的危害小，可以有效的保护环境。但是随着风力发电的运用越来越广泛，一些由风力发电机处置不当而引发的环保问题也在日益突出，这些问题主要暴漏在所带来的噪音次危害以及对当地生态环境的影响。电动汽车可以在电量不足的情况下通过此发电机所储蓄的电能及时充电，就会进一步解决电动汽车缺电的问题。

四、风力发电机的应用前景

1、绿色环保，社会/环境/经济效益“三赢”。全新垂直轴式风力发电机贯彻了“以人为本，可持续发展”的绿色环保理念，符合国家产业结构调整指导战略，属于国家支持发展的产业内容。同时，通过大力发展风力发电产品，有利于强化公众的环境保护意识，创业项目有较好的市场获利空间，所衍生的资金流、物流、信息流、人流，还将产生一定的经济拉动效应。因而，能够实现环境效益、社会效益、经济效益的“三赢”。

2、和谐发展，助力环保经济产业链条。风力发电系统是环保经济产业链的重要组成部分，对于优化新能源的产业结构，形成完整的新能源开发产业链条具有重要意义。目前，从风力发电机的生产、推广、应用到技术推广环节，国内已有比较成熟的技术、相应的营销网络和广阔的需求市场，但在垂直轴式风力发电利用方面尚缺乏规模化、专业化的技术应用体系建设，直接影响到风力发电的广阔利用空间。进一步发展垂直轴式风力发电机，将进一步促进电能产业的发展。

五、结语

垂直轴式风力发电机综合以上的优势特点，势必促进我国电能产业的改革与发展。它的广泛应用不仅能充分利用风力资源，而且能进一步解决电动汽车充电的问题，其将有很大的经济价值与应用前景。（作者单位：河南师范大学商学院）

参考文献：

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[2]严磊.风力发电机支撑体系结构设计研究[J]2013年

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