[00022009]一种低成本千瓦级风力发电机

技术投资分析： 　　实用新型专利号（已有证书）：ZL200620078387.3《一种低成本千瓦级风力发电机》； 　　实用新型专利号（有证书）：ZL200720150147.4《单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机》； 　　发明专利申请号：200710106229.3《单桨叶水平轴螺旋桨型风力发电机》（网上可查到）。 　　本实用新型涉及一种风力发电机，具体的说是一种1-200千瓦范围的低成本千瓦级风力发电机。它包括叶轮总成，发电机与风能转换装置，其特征在于：风能转换装置是汽车后桥总成，汽车后桥总成的轮毂处或传动轴连接处安装叶轮总成，汽车后桥总成的传动轴连接处或轮毂处连接发电机。本实用新型的创新点在于将汽车后桥总成特别是报废、淘汰的汽车后桥总成，用于风力发电机的制造，它适用于各种类型的风力发电机，具有极低成本、制作简单、废物利用、节省时间、节省能源、节省材料、利于环保的特点，可保证风力发电机质量可靠；它可以使1-200千瓦级的风力发电机成本降到常规生产的同类机型的四分之一到五分之一，将10千瓦的“离网”机型降到2万元。 特点： 　　利用汽车部件制作的单浆叶千瓦级（1-200千瓦，目前最大可做600千瓦）风力发电机，发电机是放在地面的特别方便维护，；制造成本是同样级别的1/4—1/3，可以独立运行，也可以并网运行，强度大，质量高、成本低，皮实耐用，可以解决用户的做饭、取暖、动力用电给电动摩托车电瓶充电等，也可以建立小型风电场，几乎无成本的风力取之不尽用之不竭，彻底告别“化石能源”时代，3个专利一起转让，每县转让一家，转让费8万元。 技术的应用领域前景分析： 　　这种风力机是集中了作者的20余年的风力机推广、使用、管理、维修的经验，参考现代大型风力发电机的特点和我国的风能资源很好的地区的农、牧、渔民的实际情况，在此基础上创新的新技术，大幅度的降低了成本，又提高了质量，可以使多种、多方面的用户使用风力机，从取之不尽、用之不竭的风能中产生巨大而良好的经济效益和环保、生态效益，普及、推广将会使投资者长期收益（100年以上）具有巨大的经济效益，这种低成本的绿色能源会减少二氧化碳的排放保护地球环境，是环境友好型能源，只会越来越普及和发展有巨大而长期的环保效益。 效益分析： 一种低成本千瓦级风力发电机的经济效益分析 　　在当前能源紧缺的环境下，风能利用是受国内外广泛重视的新能源项目之一，其最大的优点是在目前的多种新能源利用中相对制造成本价格是最低的，目前的成本大约是每瓦十元左右（按07年5月原材料价格计算）。 　　现在的流行方式是大型风力发电机组大规模并网发电已经成为投资开发的主要形式，然而投资巨大，动辄几十个亿、几百个亿的投入额度，令普通的中小投资者望而生畏。 　　那么中小投资者就没有希望插手“风能利用”了吗？答案是否定的！本人在积累20余年的风能利用经验的基础上开发了一种《低成本千瓦级风力发电机》就是专门针对中功率（几到几百千瓦功率范围）范围的风能利用的好项目，可以使投资几万到几百万的中、小投资者插手风能利用，并且可以快速的获得长久而稳定的优厚回报，下面进行简单介绍： 　　通过我的创新的发明技术（详细的技术特点分析见《低成本风力发电机技术特点分析》一文，此处 略）在保证质量的基础上，大幅度的降低了制造成本，制造成本是现有成本的1/4-1/5，所以这是一种广大用户包括农村的农民，都有可能买得起、用的起的较大功率的机型，在使用中也能够获得较大的实际收益。 　　这种低成本的风力机，能够解决农村的炊事、取暖、增氧、农产品加工和农村交通、农业动力问题，将能够极大的解决目前农村能源方面的一系列难题。 　　比如：在炊事、取暖方面可以利用电磁炉方式来做饭、烧开水，即不见明火又没有任何有害气体的产生，方式是利用蓄电瓶储存不稳定的风电（4只电瓶充满可以使用1周时间），通过逆变器(2-3千瓦正弦波逆变器)变成220V的稳定的交流电，使用普通的220V电磁炉即可，另外这种逆变器产生的电能可以输送到300-500米远，带5瓦节能灯2千瓦可带400个，3千瓦可带600个，完全可以满足一个中等村庄的全部照明。 　　取暖可以采用风力机直接带动“风锅炉”即“风能制热”方式提供大量的热源供冬季取暖使用，制冷也是直接的从输出轴输出动力，带动制冷机工作，在夏季为用户提供大量的冷源。 　　如果在海边也可以将海水制成冰块供应渔船使用，同时也进行了海水淡化（海水制冰时大部分淡水结成冰块，小部分变成高浓度盐水，略微干燥即成为海盐）。 　　我这种风力发电机由于功率较大（范围在5-600千瓦），所以直接投入市场也会产生较大的经济效益，方式概述如下： 　　1、当然最理想的方式就是“并入大电网”每度电上网电价在0.55-0.61元人民币左右，拿50千瓦（风大时可以达到120千瓦）机组来说，购买一台约15-20万元（08年6月份原材料价格计算，并网型），立起并网后，在正常状态下，每小时向电网输入50度电（风大时可以达到120千瓦），上网电价按0.5元计算就是25元，每天发电10小时就是250-600元，每年3650小时一年就是91250-219000元，而不再花费任何燃料费用，只要有风，就有源源不断的收入产生，风力发电机的设计使用寿命是20-30年（详细技术问题如寿命可看《一种低成本千瓦级风力发电机技术特点分析》一文），期间只是花费一些叶片和磨损件的更换，投入产出比在1：4--1：6左右。 　　如果当地风能资源好，每天有15-20小时发电（如在我省的瓜洲县每年有4948小时的有效风能利用时间，在山东省的青岛市每年有7115小时的有效利用时间），那么1年就能够收回成本甚至更短时间，投入产出比在1：6—1：8左右。 　　如果一次性投入30-50台风力发电机，就是一个小型的风电场，每台机组按10万元计算，投入300-500万元，20年时间可以获得1500-3000的收入，而那时发电机组的塔架、回转体、传动轴、发电机等主要部件都是完好无损的。 　　电力能源是人类长期必须使用的能源，在可预见的时间内（几百年内）不会因为“供大于求”的问题而使投资者遭受很大的损失，并且这种“绿色环保”能源的开发还能够避免二氧化碳的产生，这是有利于全球的发电方式，将会获得全民的大力支持和社会好评。 （1） 　　2、建立低成本、低投资的“风力充电站”： 　　在农村交通方面也可以大力开发新的“充电站”行业，现在农村已经拥有大量的摩托车，解决农村的交通问题，但由于烧油的摩托车使用传统的化石能源生产的汽油，不但产生大量的有害气体，并且油价也越来越高，近期（08年6月）世界市场原油价格已经达到134美元，有预计说不远的将来将突破200美元，将来如果继续使用汽油、柴油，肯定是用不起也不可能长期使用下去的。 　　在城市已经有电动助力车、电动摩托车大量的涌现（包括大功率的电动摩托车陆续面世）“以电代油”解决了摩托车的能源问题，其实在农村利用风能更有优势，我们可以设想，在公路、集市等交通方便的地方立起这种低成本风力发电机，建立蓄电池更换站和充电站，利用我的这种风力机产生的大量的廉价的风电随时充好一批蓄电池，供应需要的摩托车更换，这比加油还快，换下的蓄电瓶再拿去充好，以备下一次更换，或者是有时间的话就地补充电能（蓄电瓶可以对蓄电瓶充电），据笔者调查，在农村也有大量的电动摩托车在使用，这样将有一个十分有前途的“风力充电”行业产生，可以长期的解决农村的交通用能源问题。 　　购买一台10-30千瓦风力发电机仅需要8万元左右，每天将产生100-300度电，可以给30-50个摩托车电瓶充电，每个摩托车电瓶收入5元，每天就有150-250元收入，每年有54750-91250元收入，两年就可以收回成本，而不再需要其它任何燃料，只要有风就有源源不断的电力产生，也就是有源源不断的收入，最多支付管理人员的工资和很少的维修费用（维修也仅是给叶片涂漆、更换发电机碳刷、给轴承上些油等花费很少的费用和工作），真正是取之不尽、用之不竭的财源，捷足先登者肯定会赚得盆满钵满，并且可以永远赚下去。 　　3、取代燃油时代的新农村风电 　　再进一步设想，如果能够将农业拖拉机等大型农机具都将现有的烧油的“发动机”方式更换成电瓶车的“烧电”方式（比如电瓶装载机的形式），我们姑且叫“电动拖拉机”吧，由于我们的这种风力发电机的功率都在几十到几百千瓦，本身产生的电量就很大，可以大量的对大型号、大容量的动力机械使用的蓄电瓶进行充电，保证满足需要，这种方式使用30-100千瓦的风力发电机机型就特别合适。 　　在拖拉机上将原先装发动机的地方更换成大型“蓄电池组”并装上“大功率电动机”，这样并不需要很高深的技术条件就解决了农业方面的长期的拖拉机用油量大的难题，由于拖拉机一般不会去很远的地方工作，就近使用，就近补充电能或者更换蓄电池都不存在太大的难题，我相信在经济效益杠杆的推动下，使用特别廉价的风电（尤其是我的这种制造成本特别低的风力发电机）提供大量的风电能源，彻底解决农村的大型机械用能问题，这并非是幻想，而是特别实在的一种可实现的技术方式，同时也告别了“化石能源”时代。 　　4、解决整个村庄的风电模式： 　　可以在一个村庄（假设为100户）竖立2-3台30-50千瓦风力发电机，向每户输送不稳定的风电（由于风能不可控制，所以直接发出的电能其电压、周波都是不稳定的），每户在家中安装一个变压充电器，为自己家装备的蓄电瓶充电，再通过自己准备的逆变器变成稳定的交流电，供自己使用，这种模式根据每个家庭的经济情况，可以装备一个蓄电瓶，只供照明看电视用；装备2只蓄电瓶，功率就大一些，可以带动电冰箱和洗衣机；如果装备4只蓄电瓶存储5度电左右，再经过3千瓦左右的逆变器输出3千瓦功率的电流，就可以实现利用电磁炉做饭的方式，既没有明火，也不冒烟，做饭快速方便比城里的天然气都好，还不排出一点二氧化碳，完全是一种真正的绿色能源，只要有风永不缺电，投资这个项目也是一个不错的选择。 　　大量的廉价风电将产生长期而环保的经济效益，以这种低成本的功率合适的风力发电机作为一个创新型的投资产业，将是一个长期而保险的投资选择，有目光的投资者将通过这种方式，在短期内（竖起塔架，装好设备仅需要1-2天时间，就可以投入正常运转）就能够得到收益，并且还有保护环境，改善生态的社会效益，何乐不为。 　　5其它方面的利用也是广泛的，比如利用海边的风能直接带动制冰机使用海水制冰，既可以供应渔船用冰，同时也将海水进行了淡化（制冰方式淡化海水），在北方的冬季可以带动“风 （2） 　　锅炉”进行制热，给用户提供源源不断的热能。 　　我国已经在2006年1月1日起施行了《中华人民共和国可再生能源法》，我认为国家在这方面给我们指明了方向，明确了政府大力支持的政策，本人也希望有识之士大胆的投资。 　　这个类型的“风电充电站”“风力制冰站”“风力供热站”等行业，将会获得极大的经济回报和社会的好评，我和机电环保设备厂的张树斌厂长将会给予热忱而积极的合作。 　　毋庸置疑，风力发电机在国内的市场上将有几十亿到几百亿的市场需要，在国际市场上有几百亿到上千亿的市场需要，特别是我的这种“买得起、用的起”的低成本机型，不但制造容易，维修更是方便，由于是采用了社会拥有量巨大的汽车部件来制造，不但能够迅速的制造出来及时满足用户的需要，更有低成本、高质量的配件供应，有巨大而长期的经济和环保意义。 　　世界上的风力发电机的发展，在越来越明确的利用无污染的新能源方面进行“节能减排”保护地球的大环境的意识下，已经是人们的共识了，已经有了长足的发展，但是如何大幅度的降低其制造成本，一直是各国政府和科技工作者关注和探索的方向，国外的发展趋势是走大型化的方式，在降低成本方面当然已经取得了巨大的成功，但是大型风力机的巨大的投资和需要特定的大片地域做风电场，已经出现了问题，比如按目前的销售市场的1瓦10元的价格，2007年5月的钢材价格计算，1台2000千瓦（2兆瓦）的风力发电机需要2000万元左右人民币的投资，将是一个巨大的沉重负担，经济实力弱和资金没有几十亿的投资集团根本就投资不起，哪怕是有说不尽的好处，买不起才是最根本的硬道理。 　　另外大型风电场只能够采用“并网”的方式，局限性也很大，更需要占用大片的土地面积，这也是一个很难解决的问题，在地皮太贵的地方，即便有钱也不可能有大块的土地供这些超大型的机组使用，而我的这种中功率的千瓦级风力机可以避免占用大片土地，在房前屋后即可建立使用，也是有很大的比较优势的。 　　其实降低风力发电机的制造成本的方法并不是“只有华山一条路，以大为美、以大为准”，我认为我的这几个专利技术最大的特点就是利用世界上最发达的“汽车工业”的“标准部件”来制造最低成本的质量又特别好的风力发电机，在中功率风力发电机范围内（1-600千瓦范围），可以说已经找到了突破“风力机制造成本高的价格瓶径”的方法。 　　5、为什么能够做到低成本又高质量的技术关键简介： 　　(A)：主轴承：它是承担整个风轮的转动的最关键的部件，在20年的使用期中（一般风机的设计标准）需要承受风霜雨雪、高温酷暑、沙尘盐雾等大自然的磨损和破坏，还要承受特大风的超大负载（风中的力量与风速之比是3次方的关系，即风速增大一倍力量增大八倍），按传统的方法制造一个这样的主轴承（10千瓦的）需要2万元左右，而我的这个技术方案是直接利用“130型汽车的后桥总成”，只要花1500-2000元就可以满足需要，并且来源广泛、配件易得。 　　主轴承是采用汽车后桥总成中的汽车轮毂承重轴承作为整个风轮的主轴承的，这种方式解决了主轴承的强度和寿命问题并且来源广泛配件易得，可以根据设计的风力机的功率大小采用不同规格型号的汽车后桥总成，如：1-9千瓦功率的风机可以采用微型小客货车的后桥总成（价格仅800元），该总成正常承重30-40马力（22-29千瓦）完全可以承担9千瓦以下的风力机的需要，大型载重车的后桥总成可正常承重250-800马力，可以做200-600千瓦风力机的主轴承。 　　(B)：变速器及传动系统：由于汽车后桥总成本身就带有“差速器”也就是一种特别的变速器，使用时只要将一端固定不让其转动，这时动力就从轮毂端的另一端传递到传动轴输出端，正常汽车的动力是从传动轴端向轮毂端传递，而使用在风力机中时则是相反的，同时轮毂端的转速与传动轴端的转速是不同的，一般的变比是1：3左右，所以在风力机中反向使用时正好是一个“增速变速器”，将风轮的比较缓慢的转速通过“差速器”逆向工作方式，变成较快的转速以满足发电机的需要。 　　传动杆的下部还是通过“万向节”的方式与下部的另一个汽车后桥总成的一端连接，我们的这种风力机是使用两个汽车后桥总成，即上部一个是回转体上，下部一个是立式安装在地面上，一则通过第二个后桥总成的“差速器”进行更进一步的增速，达到1：9左右，二则将动力 （3） 　　的垂直方式再转换成水平方式，通过轴输出方式带动发电机或者是其它机械装置，相同的风力 　　机使用同一型号的汽车后桥总成，所以在一般的风机上很难解决的“增速器”强度不够容易出故障的难题，在这里就轻而易举的解决了。 　　(C)：单浆叶的特点说明：我们的这种风力机最显著的特点之一就是一个叶片加上一个平衡阻尼器的结构形式，虽然看起来不好看，但是却很好用，这是因为一个叶片可以大幅度的提风能利用系数，水平轴螺旋桨形式的风力机决定风能转换效率的核心是“周速比”即风轮叶尖速度与风速之比，这个比值越大则转换效率越高，其最大值是1：16，一般的风力机在实际运转中能够达到12-13就很不容易了。 　　我们根据长期的观察，摸索出叶片的数量与风轮的转速（叶尖速度）是反比的关系，即风轮上叶片数量越多则转速越低，也就是周速比越低，所以叶片数量多的风力机并不能增大功率，反而使风能利用系数大大的降低，即浪费了材料又减低了效率，所以我们的这种单浆叶的形式是从多年的实际经验中摸索出来的，达到了即降低成本又提高了效率，实测“周速比”接近1：16，风能利用系数接近0.6，是目前的其它多浆叶风力机根本无法相比的， 　　更有利的是单桨叶形式在进行静平衡和动平衡选配时，完全不考虑多叶片的配平衡问题，多桨叶机组的多个叶片，不但要求每只叶片的重量一样是平衡的，还要求重心平衡，更要求叶片在产生升力时的每只叶片的升力一致，否则在运行中必然产生震动、抖动，严重时能够使整个塔架晃动，所以不选配叶片要使风力机能够正常工作是不可能的，而在制造叶片时由于工艺关系，每只叶片不可能做到上述要求的完全一致，所以在制造、组装一台风力机时必须在多只叶片中进行选配，使3只叶片尽可能满足静平衡和动平衡的要求，这也是大型风力机制造成本居高不下的原因。 　　而我们的这种“单桨叶”形式完全不必考虑叶片的选配问题，无论是重一点，或者是轻一点的叶片都能够使用，只是在风轮的对应端的平衡阻尼器上减一点或者是增加一点配重而已，很容易就达到了“静平衡”“和”动平衡“的要求，使风轮能够平稳的转动，不但安全，寿命又长，也就是提高了效率又大幅度降低了制造成本和制造难度。 　　(D)；发电机下置的优点：综观现有的各种型号的风力发电机，一般都是将发电机安装在塔架的顶部，其实这种方式有许多弊病，一是塔架的强度要求很高，成本很大；二是发电机的维修保养在高空很困难；三是必须采用防护功能特别好的发电机以对抗恶劣的自然气候，否则很容易出故障；四是如果遇上超强风速造成塔架倒架时必然损失很大，无法短期内修复，而我们独创的“发电机下置方式”完全克服了上述传统机型的弊病，比如： 　　一是塔架的强度不需要设计很高，只要能够负荷一个主轴承和一个单浆叶风轮毂总成，即可满足需要，材料使用量少的多，强度也不需要做的太高，因此大幅度降低了成本； 　　二是发电机和其它被带动机械设备系统的维修、保养很容易，就在地面进行； 　　三是可以采用最便宜的农用发电机（或者是普通发电机），并不需要特别的防护型高档发电机，仅仅是采用农用发电机就能够减少很大的投入（这两种发电机的价格相差10倍以上）； 　　四是在抽水、制冰、鱼塘增氧、粉碎机械使用等转速要求不高的场合可以直接使用上述机械传动方式，直接由风力机拖动需要使用的机械，选择的原则是根据用户的使用需要配以不同的皮带轮组或者是动力轴方式，达到被拖动的机械正常工作而定，这样的方式就更是大幅度的降低了成本，这种方式比传统的使用风力发电机的成本低10倍以上。 　　五是即便遇上超强风（如台风）时刮倒塔架，也仅仅是损坏一个叶片的风轮毂和后桥总成（汽车后桥的强度是有目共睹的，往往损坏不大能够继续使用），尤其是50千瓦以上的大型发电机，在我们的这种风力机上使用时更能够体会到发电机下置的安全、方便和容易维修管理的特色。 （4） 　　总之，这种风力机是集中了作者的20余年的风力机推广、使用、管理、维修的经验，参考现代大型风力发电机的特点和我国的风能资源很好的地区的农、牧、渔民的实际情况，在此基础上创新的新技术，大幅度的降低了成本，又提高了质量，可以使多种、多方面的用户使用风力机，从取之不尽、用之不竭的风能中产生巨大而良好的经济效益和环保、生态效益，普及、推广将具有巨大的经济效益和巨大的环保效益。 厂房条件建议： 300平方米车间，500平方米场地，一般的机械加工条件即可。 备注： 作者： 兰州利国电子有限责任公司 技术开发部 高级工程师 郑尔历 　　甘肃省老科技工作者协会 科技咨询服务部成员 高级工程师 郑尔历 　　兰州军区干休三所机电环保设备厂 高级技术顾问 郑尔历 作者简介： 　　郑尔历 ：高级工程师，中国老科学技术工作者协会 机电委员会委员，原甘肃省风能技术开发公司副经理，原安西县科委副主任；安西县能源办公室主任；安西县风能技术开发服务中心主任。 参考文献： 　　中国风力发电网《中华人民共和国可再生能源法》 　　《风力发电》杂志1988-2002年期刊 　　《小型风力机的设计与制作》 　　二〇〇九年一月十八日