新风轮

风轮机，即“风力机”。

1、相向旋转的双级叶轮风轮机

根据阿·贝茨(AlbertBetz)在1926年建立的原始理论，单级转子的最大风能利用效率不超过59.3%，其理论的假设条件是风轮机的排风速度为进风速度的1/3。亦即相当于风轮机吸收了来流进风能量(动能)的2/3。这是理想情况，实际上所有单级转子叶片达到以上理想效率是很困难的。单级三片叶轮风力机很难达到40%的风能转换效率。中国空气动力研究与发展中心曾对单向旋转的水平轴风轮机进行了风洞实测，其风能转换效率只有23%～29%。亦即有71%～77%风能被单级叶轮结构的风轮机白白浪费掉了。美国阿帕(Appa)技术创新公司对多个相向旋转双级叶轮的风轮机(见图1)的研究测试表明，前后安装相向旋转结构比单向单级叶轮风力机可以多获得30%～40%的风能。

实验测试证明，相向旋转双级叶轮风轮机比单级叶轮风力机具有以下3个优点：

1)提高风轮机风能转换效率30%～40%，相当于从同样的风电场中多获得30%～40%的功率。

2)两侧叶轮转子的力矩与质量彼此平衡，使得风塔的重力力矩与弯曲应力大为减少。而且双转子叶片系统的扰流、抖振现象更不容易发生，增强了风轮机运行稳定性，有利于保障风电机20年的技术寿命。

3)在规划建设限定的一定风电总功率条件下，采用双级叶轮结构风轮机的风电场的占地面积可以大大缩小，塔杆数量也大为减少。这样可使风电场经济上获益，额外成本投资回收期大为缩短，可吸引更多的开发商向风电场建设投资。

2、全永磁悬浮风轮发电机新技术

全永磁悬浮风轮发电机，其发电功率可提高20%以上，风轮机主轴、风电机主轴等均采用全永磁悬浮结构，其主要优点是转子和轴承处于真空条件下，又无接触、无机械摩擦、无须润滑，无振动、无噪音、无污染；可实现高转速、高精度、高刚度、高可靠性、高寿命；无须控制，无须机械维修，可使风电机运行20年技术寿命的指标得以保障。

全永磁悬浮轴承与传统的机械式轴承相比，还可以做到“轻风启动，微风发电”。其启动风速可以低到1.5m/s，大大低于传统风电机的3.5m/s，从而扩大了风轮机的风速工作范围，提高了风能的时间利用率，使年发电量增加，示范证明，可使风电成本下降50%。在成本上可与水电、煤电形成竞争。永磁材料是中国的资源优势，储量占世界的85%以上，原料非常廉价。如“磁王”钕铁硼(NdFeB)约10元/kg左右，出口价18元/kg。而国际“磁王”价格却高达1000美元/kg。磁浮技术我国已自主掌握，这项新技术的研发成功和批量生产，使得我国乃至世界的风能发电技术取得了关键性的突破。

磁浮轴承技术开发范例：中国环球风能科技有限公司早在第六届中国高新技术成果交易会上就展出了基于磁悬浮原理无阻尼的风力发电机技术，将风轮机直接驱动发电机运转发电，从而极大地降低了发电机的机械与摩擦阻力。该项先进技术的应用，使风力发电机的风能利用率平均达到60%以上，延长了风电机的工作时间，使风力发电成本有望与火力发电成本相媲美。

中科恒源风电公司于5年前就宣布拥有了国际原始创新的磁悬浮风力发电机，并且已通过技术鉴定。2006年9月该成果已入选“世界十大绿色发明”。磁悬浮风力发电机与普通风力发电机相比的优势，在于轻风就能启动发电，在相同的风速下，全年的发电量比传统风电机至少提高20%，特别是在风力较弱的风能贫乏区域使用最为理想，大大地扩大了全国风电场选址范围，可更加充分地利用风能资源。该机甚至可以应用在中国和世界各地星罗棋布的高速公路旁的灯杆上。安装这种轻飘的磁浮风电机可充分地利用汽车在行驶过程中兜风形成的气流发电，供路灯照明使用。

3、风筒式的风轮发电机

基本原理是根据流体力学的伯努利方程，位于风筒式喉道处的空气流速度，因截面收缩而加快，故可进一步提高风轮机效率。

我国著名的科学家钱学森早在20世纪50年代就提出了称之为“风洞式风车”的概念，即利用附加的扩压器在叶轮的后部造成一个低压区，从而增加了通过叶轮的空气流量，达到提高风轮机效率的目的。与常规不带筒的水平轴风电机相比，不仅可使风轮机速度提高，增加输出功率，而且还可以增加系统的抗风能力。为了提高风机的效率，美国洛杉机一家公司在20世纪70年代也设计出一种带套筒的“增能风力发电机”(见图2)。这种风轮机叶片周围装有圆锥形套筒，使风通过风轮时产生一段具有抽吸作用的低压区，可使通过叶片的风速增加1倍以上。风洞试验发现带有套筒的风轮机比裸露叶轮的风电机发出高5倍多的电力。在解决了高抗弯强度的“复合材料”的风筒之后，该公司在新西兰制造了2台高达21层楼房高的增能风力发电机。每台能产生3MW的风电。新西兰最近又研制出一种新型发电用风力涡轮机，能以吹来风速的3倍速度吸入流过的叶轮。实际证明，有筒罩的风力涡轮机比无罩风力涡轮机输出的功率大6倍以上。

美国的一家制造公司于2004年7月成功地推出了一种导管式风扇风轮发电机，与常规三叶片裸露叶轮机相比具有更安全、无震动、无噪音的优点，更适合安装在城市和农村楼顶与房顶上。这种新型结构的风轮机对扩大其使用范围和克服风轮机噪声大的缺点具有特殊意义。

德国斯图加特大学已研发出一种以风轮机为推动力的三轮自行车。该车采用钢材和碳纤维制造的短筒式双向旋转的风轮机结构，这种新型结构提高了风能的转换效率。它实际上是将“套筒式”和“相向旋转叶轮”2种新技术组合在一起了。美国格伦曼公司开发成功一种带有扩散筒形的增强型风轮机，据测算当风轮直径达到20m时，风力发电机的功率输出有明显的提高。

综合以上风轮发电机的新技术，正向着超大容量、高稳定性、高可靠性，特别是向高效率的智能化风电机组方向发展。

4、变桨距、变速型的双馈直驱永磁式风轮发电机

与传统机组相比较，该机组具有以下优势：

1)变桨距可根据变化的风速改变叶片的桨距角，使升力型叶片始终保持空气动力学优化状态，同时可调节风轮的转速。另外，可采用离心锤式变桨距或采用电力电子技术来实现桨距控制。

2)变速运行比定速运行系统每年可以多捕获大约1/3的风能，使得变速系统在低速区域商业投资可行，可为风力发电装机打开一个全新的市场，其变速风机技术市场份额在逐年增长。变速风电机的风电转换效率提高20%～30%，不但提高了产能，而且也提高了电能的质量。该机电能波动更小是因为风轮惯量可起到能量缓冲作用。

3)变速缓冲使机械应力更低，阵风加速叶片旋转而不是扭矩冲击载荷。相对的风机噪声也大为降低。

4)变速运行优越性之三是提高了风电机的最高进风速度，扩大了风轮机速度运行上限范围，提高了风能的时间利用效率，以及高风速可产生更高的电功率。

新技术开发范例：沈阳风电公司开发制造的SY2FD-A/B型系列变桨距/变速型直驱式风力发电机组，具有离心锤式变桨距功能，采用稀土永磁发电机直接驱动。当风速增大时，离心锤受离心力作用，带动叶片改变桨距，且自动控制桨距，高效地利用了风能。同时该机组可随风速变化同步自动调整叶片迎风角，当出现大风速时也能够高速运转，照常发电；智能控制系统自动跟踪风向，与风向保持一致，且始终保持平稳偏航转动；实现了无人职守，但也保留了手动控制与维护。该公司对风电机组不断改进和创新，产品销往我国各地，并出口到美国、加大拿和爱尔兰等国家。可见新技术是企业的生命力。