一種低成本千瓦級風力發電機的經濟效益分析
2011/4/20 13:27:51
在當前能源緊缺的環境下，風能利用是受國內外廣泛重視的新能源項目之一，其最大的優點是在目前的多種新能源利用中相對制造成本價格是最低的，目前的成本大約是每瓦十元左右（按07年5月原材料價格計算）。
現在的流行方式是大型風力發電機組大規模并網發電已經成為投資開發的主要形式，然而投資巨大，動輒幾十個億、幾百個億的投入額度，令普通的中小投資者望而生畏。
那么中小投資者就沒有希望插手“風能利用”了嗎？答案是否定的！本人在積累20余年的風能利用經驗的基礎上開發了一種《低成本千瓦級風力發電機》就是專門針對中功率（幾到幾百千瓦功率范圍）范圍的風能利用的好項目，可以使投資幾萬到幾百萬的中、小投資者插手風能利用，并且可以快速的獲得長久而穩定的優厚回報，下面進行簡單介紹：
通過我的創新的發明技術（詳細的技術特點分析見《低成本風力發電機技術特點分析》一文，此處略）在保證質量的基礎上，大幅度的降低了制造成本，制造成本是現有成本的1/4-1/5，所以這是一種廣大用戶包括農村的農民，都有可能買得起、用的起的較大功率的機型，在使用中也能夠獲得較大的實際收益。
這種低成本的風力機，能夠解決農村的炊事、取暖、增氧、農產品加工和農村交通、農業動力問題，將能夠極大的解決目前農村能源方面的一系列難題。
比如：在炊事、取暖方面可以利用電磁爐方式來做飯、燒開水，即不見明火又沒有任何有害氣體的產生，方式是利用蓄電瓶儲存不穩定的風電（4只電瓶充滿可以使用1周時間），通過逆變器(2-3千瓦正弦波逆變器)變成220V的穩定的交流電，使用普通的220V電磁爐即可，另外這種逆變器產生的電能可以輸送到300-500米遠，帶5瓦節能燈2千瓦可帶400個，3千瓦可帶600個，完全可以滿足一個中等村莊的全部照明。
取暖可以采用風力機直接帶動“風鍋爐”即“風能制熱”方式提供大量的熱源供冬季取暖使用，制冷也是直接的從輸出軸輸出動力，帶動制冷機工作，在夏季為用戶提供大量的冷源。
我們根據長期的觀察，摸索出葉片的數量與風輪的轉速（葉尖速度）是反比的關系，即風輪上葉片數量越多則轉速越低，也就是周速比越低，所以葉片數量多的風力機并不能增大功率，反而使風能利用系數大大的降低，即浪費了材料又減低了效率，所以我們的這種單漿葉的形式是從多年的實際經驗中摸索出來的，達到了即降低成本又提高了效率，實測“周速比”接近1：16，風能利用系數接近0.6，是目前的其它多漿葉風力機根本無法相比的，更有利的是單槳葉形式在進行靜平衡和動平衡選配時，完全不考慮多葉片的配平衡問題，多槳葉機組的多個葉片，不但要求每只葉片的重量一樣是平衡的，還要求重心平衡，更要求葉片在產生升力時的每只葉片的升力一致，否則在運行中必然產生震動、抖動，嚴重時能夠使整個塔架晃動，所以不選配葉片要使風力機能夠正常工作是不可能的，而在制造葉片時由于工藝關系，每只葉片不可能做到上述要求的完全一致，所以在制造、組裝一臺風力機時必須在多只葉片中進行選配，使3只葉片盡可能滿足靜平衡和動平衡的要求，這也是大型風力機制造成本居高不下的原因。
而我們的這種“單槳葉”形式完全不必考慮葉片的選配問題，無論是重一點，或者是輕一點的葉片都能夠使用，只是在風輪的對應端的平衡阻尼器上減一點或者是增加一點配重而已，很容易就達到了“靜平衡”“和”動平衡“的要求，使風輪能夠平穩的轉動，不但安全，壽命又長，也就是提高了效率又大幅度降低了制造成本和制造難度。
(D)；發電機下置的優點：綜觀現有的各種型號的風力發電機，一般都是將發電機安裝在塔架的頂部，其實這種方式有許多弊病，一是塔架的強度要求很高，成本很大；二是發電機的維修保養在高空很困難；三是必須采用防護功能特別好的發電機以對抗惡劣的自然氣候，否則很容易出故障；四是如果遇上超強風速造成塔架倒架時必然損失很大，無法短期內修復，而我們獨創的“發電機下置方式”完全克服了上述傳統機型的弊病，比如：
一是塔架的強度不需要設計很高，只要能夠負荷一個主軸承和一個單漿葉風輪轂總成，即可滿足需要，材料使用量少的多，強度也不需要做的太高，因此大幅度降低了成本；
二是發電機和其它被帶動機械設備系統的維修、保養很容易，就在地面進行；
三是可以采用最便宜的農用發電機（或者是普通發電機），并不需要特別的防護型高檔發電機，僅僅是采用農用發電機就能夠減少很大的投入（這兩種發電機的價格相差10倍以上）；
四是在抽水、制冰、魚塘增氧、粉碎機械使用等轉速要求不高的場合可以直接使用上述機械傳動方式，直接由風力機拖動需要使用的機械，選擇的原則是根據用戶的使用需要配以不同的皮帶輪組或者是動力軸方式，達到被拖動的機械正常工作而定，這樣的方式就更是大幅度的降低了成本，這種方式比傳統的使用風力發電機的成本低10倍以上。
五是即便遇上超強風（如臺風）時刮倒塔架，也僅僅是損壞一個葉片的風輪轂和后橋總成（汽車后橋的強度是有目共睹的，往往損壞不大能夠繼續使用），尤其是50千瓦以上的大型發電機，在我們的這種風力機上使用時更能夠體會到發電機下置的安全、方便和容易維修管理的特色。
總之，這種風力機是集中了作者的20余年的風力機推廣、使用、管理、維修的經驗，參考現代大型風力發電機的特點和我國的風能資源很好的地區的農、牧、漁民的實際情況，在此基礎上創新的新技術，大幅度的降低了成本，又提高了質量，可以使多種、多方面的用戶使用風力機，從取之不盡、用之不竭的風能中產生巨大而良好的經濟效益和環保、生態效益，普及、推廣將具有巨大的經濟效益和巨大的環保效益。
作者：浙江日昇科技有限公司技術開發部高級工程師鄭爾歷
作者簡介：
鄭爾歷：高級機電工程師，原甘肅省風能技術開發公司副經理，原安西縣科委副主任；安西縣能源辦公室主任；安西縣風能技術開發服務中心主任；現任浙江日昇科技有限公司技術開發部高級工程師。
如果在海邊也可以將海水制成冰塊供應漁船使用，同時也進行了海水淡化（海水制冰時大部分淡水結成冰塊，小部分變成高濃度鹽水，略微干燥即成為海鹽）。
我這種風力發電機由于功率較大（范圍在5-600千瓦），所以直接投入市場也會產生較大的經濟效益，方式概述如下：
1、當然最理想的方式就是“并入大電網”每度電上網電價在0.55-0.61元人民幣左右，拿50千瓦（風大時可以達到120千瓦）機組來說，購買一臺約15-20萬元（08年6月份原材料價格計算，并網型），立起并網后，在正常狀態下，每小時向電網輸入50度電（風大時可以達到120千瓦），上網電價按0.5元計算就是25元，每天發電10小時就是250-600元，每年3650小時一年就是91250-219000元，而不再花費任何燃料費用，只要有風，就有源源不斷的收入產生，風力發電機的設計使用壽命是20-30年（詳細技術問題如壽命可看《一種低成本千瓦級風力發電機技術特點分析》一文），期間只是花費一些葉片和磨損件的更換，投入產出比在1：4－－1：6左右。
如果當地風能資源好，每天有15-20小時發電（如在甘肅省的瓜洲縣每年有4948小時的有效風能利用時間，在山東省的青島市每年有7115小時的有效利用時間），那么1年就能夠收回成本甚至更短時間，投入產出比在1：6—1：8左右。
如果一次性投入30-50臺風力發電機，就是一個小型的風電場，每臺機組按10萬元計算，投入300-500萬元，20年時間可以獲得1500-3000的收入，而那時發電機組的塔架、回轉體、傳動軸、發電機等主要部件都是完好無損的。
電力能源是人類長期必須使用的能源，在可預見的時間內（幾百年內）不會因為“供大于求”的問題而使投資者遭受很大的損失，并且這種“綠色環保”能源的開發還能夠避免二氧化碳的產生，這是有利于全球的發電方式，將會獲得全民的大力支持和社會好評。
2、建立低成本、低投資的“風力充電站”：
在農村交通方面也可以大力開發新的“充電站”行業，現在農村已經擁有大量的摩托車，解決農村的交通問題，但由于燒油的摩托車使用傳統的化石能源生產的汽油，不但產生大量的有害氣體，并且油價也越來越高，近期（08年6月）世界市場原油價格已經達到134美元，有預計說不遠的將來將突破200美元，將來如果繼續使用汽油、柴油，肯定是用不起也不可能長期使用下去的。
在城市已經有電動助力車、電動摩托車大量的涌現（包括大功率的電動摩托車陸續面世）“以電代油”解決了摩托車的能源問題，其實在農村利用風能更有優勢，我們可以設想，在公路、集市等交通方便的地方立起這種低成本風力發電機，建立蓄電池更換站和充電站，利用我的這種風力機產生的大量的廉價的風電隨時充好一批蓄電池，供應需要的摩托車更換，這比加油還快，換下的蓄電瓶再拿去充好，以備下一次更換，或者是有時間的話就地補充電能（蓄電瓶可以對蓄電瓶充電），據筆者調查，在農村也有大量的電動摩托車在使用，這樣將有一個十分有前途的“風力充電”行業產生，可以長期的解決農村的交通用能源問題。
購買一臺10-30千瓦風力發電機僅需要8萬元左右，每天將產生100-300度電，可以給30-50個摩托車電瓶充電，每個摩托車電瓶收入5元，每天就有150-250元收入，每年有54750-91250元收入，兩年就可以收回成本，而不再需要其它任何燃料，只要有風就有源源不斷的電力產生，也就是有源源不斷的收入，最多支付管理人員的工資和很少的維修費用（維修也僅是給葉片涂漆、更換發電機碳刷、給軸承上些油等花費很少的費用和工作），真正是取之不盡、用之不竭的財源，捷足先登者肯定會賺得盆滿缽滿，并且可以永遠賺下去。
3、取代燃油時代的新農村風電
再進一步設想，如果能夠將農業拖拉機等大型農機具都將現有的燒油的“發動機”方式更換成電瓶車的“燒電”方式（比如電瓶裝載機的形式），我們姑且叫“電動拖拉機”吧，由于我們的這種風力發電機的功率都在幾十到幾百千瓦，本身產生的電量就很大，可以大量的對大型號、大容量的動力機械使用的蓄電瓶進行充電，保證滿足需要，這種方式使用30-100千瓦的風力發電機機型就特別合適。
在拖拉機上將原先裝發動機的地方更換成大型“蓄電池組”并裝上“大功率電動機”，這樣并不需要很高深的技術條件就解決了農業方面的長期的拖拉機用油量大的難題，由于拖拉機一般不會去很遠的地方工作，就近使用，就近補充電能或者更換蓄電池都不存在太大的難題，我相信在經濟效益杠桿的推動下，使用特別廉價的風電（尤其是我的這種制造成本特別低的風力發電機）提供大量的風電能源，徹底解決農村的大型機械用能問題，這并非是幻想，而是特別實在的一種可實現的技術方式，同時也告別了“化石能源”時代。
4、解決整個村莊的風電模式：
可以在一個村莊（假設為100戶）豎立2-3臺30-50千瓦風力發電機，向每戶輸送不穩定的風電（由于風能不可控制，所以直接發出的電能其電壓、周波都是不穩定的），每戶在家中安裝一個變壓充電器，為自己家裝備的蓄電瓶充電，再通過自己準備的逆變器變成穩定的交流電，供自己使用，這種模式根據每個家庭的經濟情況，可以裝備一個蓄電瓶，只供照明看電視用；裝備2只蓄電瓶，功率就大一些，可以帶動電冰箱和洗衣機；如果裝備4只蓄電瓶存儲5度電左右，再經過3千瓦左右的逆變器輸出3千瓦功率的電流，就可以實現利用電磁爐做飯的方式，既沒有明火，也不冒煙，做飯快速方便比城里的天然氣都好，還不排出一點二氧化碳，完全是一種真正的綠色能源，只要有風永不缺電，投資這個項目也是一個不錯的選擇。
大量的廉價風電將產生長期而環保的經濟效益，以這種低成本的功率合適的風力發電機作為一個創新型的投資產業，將是一個長期而保險的投資選擇，有目光的投資者將通過這種方式，在短期內（豎起塔架，裝好設備僅需要1-2天時間，就可以投入正常運轉）就能夠得到收益，并且還有保護環境，改善生態的社會效益，何樂不為。
5其它方面的利用也是廣泛的，比如利用海邊的風能直接帶動制冰機使用海水制冰，既可以供應漁船用冰，同時也將海水進行了淡化（制冰方式淡化海水），在北方的冬季可以帶動“風鍋爐”進行制熱，給用戶提供源源不斷的熱能。
我國已經在2006年1月1日起施行了《中華人民共和國可再生能源法》，我認為國家在這方面給我們指明了方向，明確了政府大力支持的政策，本人也希望有識之士大膽的投資。
這個類型的“風電充電站”“風力制冰站”“風力供熱站”等行業，將會獲得極大的經濟回報和社會的好評。
毋庸置疑，風力發電機在國內的市場上將有幾十億到幾百億的市場需要，在國際市場上有幾百億到上千億的市場需要，特別是我的這種“買得起、用的起”的低成本機型，不但制造容易，維修更是方便，由于是采用了社會擁有量巨大的汽車部件來制造，不但能夠迅速的制造出來及時滿足用戶的需要，更有低成本、高質量的配件供應，有巨大而長期的經濟和環保意義。
世界上的風力發電機的發展，在越來越明確的利用無污染的新能源方面進行“節能減排”保護地球的大環境的意識下，已經是人們的共識了，已經有了長足的發展，但是如何大幅度的降低其制造成本，一直是各國政府和科技工作者關注和探索的方向，國外的發展趨勢是走大型化的方式，在降低成本方面當然已經取得了巨大的成功，但是大型風力機的巨大的投資和需要特定的大片地域做風電場，已經出現了問題，比如按目前的銷售市場的1瓦10元的價格，2007年5月的鋼材價格計算，1臺2000千瓦（2兆瓦）的風力發電機需要2000萬元左右人民幣的投資，將是一個巨大的沉重負擔，經濟實力弱和資金沒有幾十億的投資集團根本就投資不起，哪怕是有說不盡的好處，買不起才是最根本的硬道理。
另外大型風電場只能夠采用“并網”的方式，局限性也很大，更需要占用大片的土地面積，這也是一個很難解決的問題，在地皮太貴的地方，即便有錢也不可能有大塊的土地供這些超大型的機組使用，而我的這種中功率的千瓦級風力機可以避免占用大片土地，在房前屋后即可建立使用，也是有很大的比較優勢的。
其實降低風力發電機的制造成本的方法并不是“只有華山一條路，以大為美、以大為準”，我認為我的這幾個專利技術最大的特點就是利用世界上最發達的“汽車工業”的“標準部件”來制造最低成本的質量又特別好的風力發電機，在中功率風力發電機范圍內（5-600千瓦范圍），可以說已經找到了突破“風力機制造成本高的價格瓶徑”的方法。
5、為什么能夠做到低成本又高質量的技術關鍵簡介：
(A)：主軸承：它是承擔整個風輪的轉動的最關鍵的部件，在20年的使用期中（一般風機的設計標準）需要承受風霜雨雪、高溫酷暑、沙塵鹽霧等大自然的磨損和破壞，還要承受特大風的超大負載（風中的力量與風速之比是3次方的關系，即風速增大一倍力量增大八倍），按傳統的方法制造一個這樣的主軸承（10千瓦的）需要2萬元左右，而我的這個技術方案是直接利用“130型汽車的后橋總成”，只要花1500-2000元就可以滿足需要，并且來源廣泛、配件易得。
主軸承是采用汽車后橋總成中的汽車輪轂承重軸承作為整個風輪的主軸承的，這種方式解決了主軸承的強度和壽命問題并且來源廣泛配件易得，可以根據設計的風力機的功率大小采用不同規格型號的汽車后橋總成，如：1-9千瓦功率的風機可以采用微型小客貨車的后橋總成（價格僅800余元），該總成正常承重30-40馬力（22-29千瓦）完全可以承擔9千瓦以下的風力機的需要，大型載重車的后橋總成可正常承重250-800馬力，可以做200-600千瓦風力機的主軸承。
(B)：變速器及傳動系統：由于汽車后橋總成本身就帶有“差速器”也就是一種特別的變速器，使用時只要將一端固定不讓其轉動，這時動力就從輪轂端的另一端傳遞到傳動軸輸出端，正常汽車的動力是從傳動軸端向輪轂端傳遞，而使用在風力機中時則是相反的，同時輪轂端的轉速與傳動軸端的轉速是不同的，一般的變比是1：3左右，所以在風力機中反向使用時正好是一個“增速變速器”，將風輪的比較緩慢的轉速通過“差速器”逆向工作方式，變成較快的轉速以滿足發電機的需要。
傳動桿的下部還是通過“萬向節”的方式與下部的另一個汽車后橋總成的一端連接，我們的這種風力機是使用兩個汽車后橋總成，即上部一個是回轉體上，下部一個是立式安裝在地面上，一則通過第二個后橋總成的“差速器”進行更進一步的增速，達到1：9左右，二則將動力的垂直方式再轉換成水平方式，通過軸輸出方式帶動發電機或者是其它機械裝置，相同的風力機使用同一型號的汽車后橋總成，所以在一般的風機上很難解決的“增速器”強度不夠容易出故障的難題，在這里就輕而易舉的解決了。
(C)：單漿葉的特點說明：我們的這種風力機最顯著的特點之一就是一個葉片加上一個平衡阻尼器的結構形式，雖然看起來不好看，但是卻很好用，這是因為一個葉片可以大幅度的提風能利用系數，水平軸螺旋槳形式的風力機決定風能轉換效率的核心是“周速比”即風輪葉尖速度與風速之比，這個比值越大則轉換效率越高，其最大值是1：16，一般的風力機在實際運轉中能夠達到12-13就很不容易了。
作者：浙江日昇科技有限公司技術開發部高級工程師鄭爾歷
作者簡介：
鄭爾歷：高級機電工程師，原甘肅省風能技術開發公司副經理，原安西縣科委副主任；安西縣能源辦公室主任；安西縣風能技術開發服務中心主任；現任浙江日昇科技有限公司技術開發部高級工程師。
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