風力發電機組的應用環境十分復雜,用戶要求其同時達到采風、對風、適風、抗風、巨能、調控、高效、經濟、耐用、輕便、適建、適用等各個方面的苛刻性能,并且需要其在全面達到上述各項要求的基礎上實現機組整體結構的美觀、協調、統一,這實屬不易。

水平軸葉槳迎風旋轉式風力發電機組,是當今全球風電機組設備中應用最為廣泛、規格型號最為齊全的機型形態,其采用的風輪直徑最初較小,小型葉槳風輪選材、制造、安裝、應用簡單方便,葉片設計安裝形態多種多樣;小風輪旋轉速度很快,風輪的活動空間很小,但是在單位活動空間內所形成的有效采風面積與采風能力以及風輪的乘風出力轉換能力均很強,風輪轉頭對風方式靈活,風輪的旋轉結構簡單方便,葉片抗擊惡劣風力沖擊的能力優異,葉片的造價便宜。

但是,隨著風電機組大功率應用需求的推進與發展,風輪的直徑正在逐步加大,當前國外較大型的風輪旋面直徑已達126米。然而實踐數據與應用結果確實證明,當風輪旋轉直徑放大到超出一定區域范圍限制的情況下,其經濟、性能、應用等各項指標均會出現急劇變差的發展狀況。如:超長直徑風輪設計所增加的有效乘風面積與其所需占用的活動空間面積的比值在急速下降,而其葉片延伸長度所增加的絕大多數旋轉活動空間卻是處于極其低效與無效的存在狀態中,從而導致自然界提供的有限優質風場及其優質風能資源的有效利用程度大幅度降低;如果采用在相同風場風力流動路徑上層層緊密疊加設置上述相同形態的風電機組,以試圖減少其無效活動空間所造成的風能流失損失程度,又將導致該風場整體建設成本的更大幅度增加,況且前后層層緊密疊加設置的風機與其叢林塔架將會形成氣流阻力與相互干擾影響,使該風場各個風機所能承接的風壓強度和其運行效率普遍下降,這在風力強度不是很大的時刻會表現得尤為顯著,從而使該風場整體投入與產出效益的比值大幅度下降。

此外,隨著風輪直徑的超限放大,希望葉片增加的乘風能力與葉片配合增加的重量、葉片配合增加的抗折斷強度需求指標的比值在急速下降,從而導致葉片的材料成本、制造成本、運輸成本、安裝成本的大幅提高;微弱風力無法驅動巨型巨重風葉的結果又將導致自然界風能的有效利用時間與強度范圍大幅下降;因為超長超大功率風輪葉片的很大部分葉徑截面的形態近乎于圓形,因此導致其轉槳式調頻調控方式的成效極其有限,且調控結構十分復雜;超長葉片與機組還難于避免高強度臺風的沖擊與搖晃;隨著葉片直徑的超限放大,風輪轉速加劇下降導致需要配合的齒輪箱傳動比值急劇攀升,從而導致齒輪箱設計加工難度與體積的大幅增加……而上述各項列舉的性能與應用指標均是隨著風輪直徑的持續超限放大呈現出幾何級數加劇惡化發展的態勢。

小型葉槳迎風旋轉式風力機所具有的前述諸多優勢是“聯合聚風特大、極大功率風力發電機組”機型形態難于替代的,尤其是在小的出力應用需求領域、在分散靈活安裝應用的領域、在風向頻繁大角度變化的地區更是如此。但是單個安裝的中小風輪風電機組所具有的眾多弱點也是令大功率建設需求的用戶難于接受的,其應用、功能、效益形成能力不足的原因是:①單個小風輪所能形成的出力能力極其有限,單機難于產生高效能電力強度。②如果采用群體式分別建設單個小風輪型風電機組的規劃形成,就需用戶長期分別對眾多分散設置的小型發電機同時進行有效調頻、調控、并網的操作控制,這是極其麻煩與困難的事情,即使是在實現自動調控的情況下,因此導致其形成的電力性能質量較差,有些還會影響電網的平和穩定運行,致使一些電網部門難于接納。③中小型旋轉風輪所能形成的有效乘風高程范圍很小,因此如果只是采用在相同水平高度單層排列疊加設置的規劃建設形式,就將導致自然界能夠提供的有限優質風場與高質量風能資源利用程度的極大幅度降低,那將導致更為巨大的不可再生資源的長期占用性損失。④小型發電機的能量轉換效率一般只有60%~70%,而大功率發電機組可以達到93%以上。

多風輪液壓聚能風力發電機組

多風輪液壓聚能風力發電機組正是為了解決上述四大問題而產生。多風輪液壓聚能風力發電機組的主體結構是:①由多組分散設置的風輪與液壓泵前后一體化連接配合形成其動力輸出結構;②由儲液、輸液、調壓、調控系統裝置配合構成其液壓傳動結構;③由封閉型多壓點槳輪式水(液)輪機與發電機配合構成其動力輸出驅動發電的結構,以上三大部分共同構成其主體功能結構。由此可見,多風輪液壓聚能風力發電機組是將在多個或眾多個中小風輪上形成的分散風力出力與分散能量,首先通過流體液壓泵的壓力轉換方式以及通過配合的液壓輸送管路的輸送方式實現高液壓流的匯集,再通過多壓點槳輪式水(液)輪機集中釋放能量,從而實現增加風電機組單機出力能力和實現單機巨大功率發電能力目標的。

同一個上述主體功能結構一般在相同水平高度設置,這可最大限度地減少因液流頻繁上下運動造成的能量損失;因此各個主體功能結構還可設計成為上下梯級層層設置并實現由上到下多層多個多壓點槳輪式水(液)輪機同軸一體化串聯的設計方式,使之形成更為巨大的聯合聚能出力,這將致使該機組立體系統占據空間范圍內的廣泛風能資源均能得到均勻充分的開發利用,同時也使該機組形成特別巨大的單機聚能出力能力設計目標,而其后面采用的上下同軸一體化串聯聯動聚能的機構已然是機械聚能形式了。

多風輪液壓聚能風力發電機組的液壓系統結構具有一定的復雜性,且一個中小型的多壓點槳輪式水(液)輪機就可以承接轉換數十個乃至上百個分散設置在同層的中小型風力機上形成的液壓匯集流量,而其上下層層梯級設置的理想結果甚至可使上千個中小風輪一同為同一個巨型液壓風電機組系統服務。可見該機組過于小型的設置運行方式從成本、效益、效率、效果等方面看都顯得不太經濟,因此液壓聚能機組同樣適合超大、特大乃至極大單機出力能力需求的用戶采用。這對于一般中小出力能力需求的用戶和靈活方便安裝的用戶來講,采用液壓聚能機組在規劃、建設、安裝、應用等方面并不適用。