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多元组合式风能转换系统方案探讨
沈阳市新城子区沈庆风能研究所 刘宝生 郝振全
前言：
本文提出的多元组合式风能转换系统，是以小型机为基础的多元组合方案，目的在于解决规模开发中的风能国产化及经济实用性问题（目前大型机组100%依靠进口），同时具有防风固沙的功能。
方案的理论依据来自于空气动力学中的负压原理，由中国空气动力研究中心贺德馨先生和中国科学院热功能物理研究所王正明先生所著《扩压引射风能转换系统研究》，该文献较详细的论证了负压在风能转换系统中的作用，以充分的实用数据证明了理论的实用价值。
实用中的机组，风轮直径1.5米，在负压装置中最大输出功率达到1.26KW，比常规状态下的输出功率提高10倍左右，由此引发了多元组合的设想，即利用负压原理，将小型机组进行多元组合，形成规模效益。
为增加采风量，同时兼顾防风固沙，装置的设计高度达到50米，长度数公里或数十公里，形成一个象拦水坝一样的拦风坝（暂取名风墙）。墙上布满负压孔，孔内安装风车。
风墙所要达到的目的：
1、大规模的风能开发利用，国产化率100%。
2、独立运行和并网发电兼顾。
3、工艺制造简单，无技术障碍，成本低廉，单机容量弹性范围大。
4、防风固沙。
一、技术方面的可行性
1、机组
作为一种成熟的技术，全国目前投入运行的小型机组超过17万台，居世界之首。各种完善的措施，以及切合实际的技术指标，使机组的使用寿命超过15年。无故障和免维护达到3年以上，较低的启动风速、切入风速以及额定风速，使产品更适合于在低风速区域使用，调速方式简单，机组性能可靠。因此，提出用小型机组进行多元组合，不涉及复杂的技术问题。仅仅是使用方法不同而已。
2、风墙
风墙的结构型式目前还拿不到可供参考的蓝本，早些时候，美国、日本、前南斯拉夫，曾经有过尝试，最终因造价偏高而放弃。除技术性能得到肯定之外，再没有人对此进行更深层的探讨，扩压引射风能转换系统也因造价偏高和结构复杂而面临同样的结果，所以，风电场建设都聚焦在大型机组的发展上，形成单一的开发模式。由于大型机组的国产化问题一直没有得到解决，因此，束缚了国内风电产业的发展。通过总结国内外各种经验和教训，认为利用现有的小型机技术，引入负压理论，进行多元组合应当是一种积极的办法，具有现实意义。
风墙的设计依旧来自于工程建筑方面，综合了国内的现状，最终结论是，风墙不要求象拦水坝那样的强度，因为能量密度的对比，前者是后者的800倍以上，也不需要象楼房那样的结构型式。风墙仅仅是一种框架结构，不存在技术障碍，结构简单，成本较低，国外造价偏高可能来自设计结构和工程造价本身。小型机的制造成本至今仍很高。
目前我们设计的风墙分两种类型，框架式和塔架式，前者不再重复，塔架式是以多个单独的塔架进行横向排列，并与概率较高的风向相垂直。塔架上设计了若干台机组。尽可能大的迎风面积，以便增加发电量，同时兼顾防风固沙。因此，风墙的设计高度以50米为宜，长距离的连续的拦截效果最好，所以风墙的长度，应当是整个风口（小规模的独立运行体系另议）。
3、辅助设施的配置方面
小型机的辅助设施比较少，常见的侧偏调速和短路停机即可达到控制的目的，多元组合后，这种方法仍然有效。
二、制造成本
负压理论能否在规模化风能开发中得到广泛的应用，工程造价是关键因素，下面分3个方面探讨成本问题。
1、机组的制造成本
国内小型机组造价比较低，相当于国外的1/5左右。这与所支付的原材料以及加工费有关，最近几年我们又从工艺流程、选材以及管理方面入手，使产品的制造成本又降低了50%以上，目前各种规格的小型机组成本价见表。
规格（W） 成本价（元/套） 现售价（元/套） 原售价（元/套） 说明
150 500 1078 1250 不含逆变器
300 1000 2178 4500 含逆变器
500 1600 3600 6600 含逆变器
1000 3000 7200 12000 含逆变器
2000 4000 13200 30000 含逆变器
5000 12000 25000 70000 含逆变器
以2KW机组为例，发电机1500元，风叶250元，逆变电源750元，整流器100元，塔架300元，回转体300元，附件200元，合计3400元，其它费用，房屋、水电、税收、人员工资，每台附加600元，合计4000元/套。每KW的成本为4000÷2=2000元。如果形成大规模批量生产，成本还会下降。
此外，国内机组额定风速10米/秒以下，国外机组为15米/秒，因此，国内机组的工作效率要比国外高。
2、墙体的制造成本
1）框架式：
楼房的框架成本为500元/平方米，风墙的框架成本为350元/平方米，因为风墙比楼房少了两面隔墙，同时少了室内小单元隔层。一个25平方米的单元，可容纳6KW的发电容量，一个56.25平方米的单元，可容纳15KW的发电容量。
25平方米的单元每KW的成本为：
350×25÷6=1458元，
56.25平方米的单元每KW的成本为：
350×56.25÷15=1312.5元
2）塔架式：
每个塔架需要6吨钢材，含工程费用，每个塔架成本价为30000元，可容纳2KW机组26台，装机容量52KW。
每KW的成本为：
30000÷52=577元。
3）辅助设施：
辅助设施指地面控制系统，电池组，稳定电源，配电系统等，这些设施的成本很低，只有100元/KW，对整体成本影响不大。
通过以上分析，我们对风墙的总体成本评估如下：
结构类型 机组（元/KW） 墙体（元/KW） 辅助设施（元/KW） 合计（元/KW）
框架式25㎡ 2000 1458 100 3558
框架式56㎡ 2000 1312.5 100 3412.5
塔架式 2000 577 100 2677
综合评估结果为4000元/KW（含不可预见开支）。
三、经济效益与社会效益
风能开发的初衷来自于可持续发展的能源战略，同时兼顾环境因素，因此，在风能开发的初级阶段，并没有因为发电成本偏高而停止发展，相反，各国政府都把发展风能开发作为重要的战略目标来发展，相关的扶持政策，极大地刺激了产业的发展。随着科技水平和制造工艺的提高，发电成本逐年下降，从最初的50美分/KWH降至目前的5美分/KWH，并且已具备了与常规化石能源竞争的能力，缓解大气污染以及防风固沙的作用受到了全人类的欢迎。
风墙作为一种新的设想，在解决了制造成本问题之后，估计会有4个方面的积极意义：
1、继续降低发电成本，使风力发电成为一种最廉价的发电方式。
1）小型机组的制造成本现在已降到2500元/KW以下，含逆变电源。
2）负压理论的指导，原理的应用，负压孔的设计，使机组的工作效率提高了三倍以上。相信负压理论将会在今后的风能事业上发挥巨大的作用。
3）利用阳光在墙两侧出现新的温差，使孔内形成新的风源。
4）使无效风速（低于3米/秒）变为有效风速。
2、打破国际间的垄断局面。
大型机的制造，目前仍垄断在少数国家手上，严重的阻碍着国内的发展，然而，实现大型机组的国产化并得到普及仍然需要较长的时间，如果继续推迟到下一个五年计划，他的负面影响就更大了。
比较起来，风墙是一件很容易实现的事情，设计、制造、安装和维护都很简单，成本低廉，工期短，见效快，可分阶段开发。方案的可操作性在于容易普及，并迅速形成规模。
3、防风固沙。
大规模的连续的拦风作用，可以防风固沙。在风口地带，连续建造数十公里长的几道风墙，不仅可获得大量的能源，同时可以阻止沙尘暴的发生，防止扬沙天气，阻止沙化蔓延，甚至墙进沙退。
风墙还可以作为一种景观，因为它比万里长城更高、更壮观，它是一个充满活力的能源长城。
4、减少空气污染。
由于风墙有诸多的特点，因此，它的应用领域也是广泛的，适合于安装的场合也很多，例如油田，全国绝大部分油田风力资源丰富，如大庆、胜利、辽河、华北、大港、新疆等。油田也是用电大户，大庆油田总用电设备250万KW，年用电量240亿度，年电费耗资120亿人民币，99年以前，每年电力耗资占工业总产值的20%，2000年后占10%，因为原油涨价，工业总产值上升，原油产量并未上升。
油田往往地域宽广，适合于风电的发展，此外大庆油田西部外围沙化严重，流动沙丘已淹没了村庄，部分沙丘淹没了房屋，导致移民。据专家推算，今后两三年内沙化将直接影响油田的生产生活。
风墙同样适合各种行业，多个场合，无电村屯，沿海岛屿，边防哨所，沙漠边缘，风口地带等。市区建筑无顶端也可以尝试。
四、发展趋势及动态分析
最近几年，私营企业介入风能界的趋势比较明显，所产生的影响也比较大，归纳起来有5个方面。
1、制造成本和销售价格明显下降，推动了行业的发展。
2、服务质量有了明显提高，稳定了市场。
3、扩大了风能产品的应用领域，已经从草原走向各个方面，无电村屯，沿海岛屿，边防哨所，水产养殖，船舶等各个方面，下一阶段还将渗透到各个工矿企业。
4、风能产品已开始向常规能源挑战，随着风能开发模式的多样化，依靠它的灵活性以及较低的发电成本，风电将直接参与工矿企业的能源供给。
5、大量的人力、物力、财力的投入，也推动了科技方面的发展，新的思路、方案、设计得到了支持，有的已实施完毕，有的正在实施，有的正准备实施。
下一阶段私营企业还将介入到大型机组的研制并介入到风电场的建设中去，符合我国国情的多种风能开发模式将很快出现，与全国其它行业一样，改革开放以来，由于私营企业的介入和私营机制的出现，导致了各行各业的发展，风能行业虽然刚刚开始介入，但是已经发生了较大的影响，培植和发展了市场，相信经过努力之后，可以赶上和超过其它行业。
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沈阳市新城子区沈庆风能研究所 刘宝生 郝振全
前言：
本文提出的多元组合式风能转换系统，是以小型机为基础的多元组合方案，目的在于解决规模开发中的风能国产化及经济实用性问题（目前大型机组100%依靠进口），同时具有防风固沙的功能。
方案的理论依据来自于空气动力学中的负压原理，由中国空气动力研究中心贺德馨先生和中国科学院热功能物理研究所王正明先生所著《扩压引射风能转换系统研究》，该文献较详细的论证了负压在风能转换系统中的作用，以充分的实用数据证明了理论的实用价值。
实用中的机组，风轮直径1.5米，在负压装置中最大输出功率达到1.26KW，比常规状态下的输出功率提高10倍左右，由此引发了多元组合的设想，即利用负压原理，将小型机组进行多元组合，形成规模效益。
为增加采风量，同时兼顾防风固沙，装置的设计高度达到50米，长度数公里或数十公里，形成一个象拦水坝一样的拦风坝（暂取名风墙）。墙上布满负压孔，孔内安装风车。
风墙所要达到的目的：
1、大规模的风能开发利用，国产化率100%。
2、独立运行和并网发电兼顾。
3、工艺制造简单，无技术障碍，成本低廉，单机容量弹性范围大。
4、防风固沙。
一、技术方面的可行性
1、机组
作为一种成熟的技术，全国目前投入运行的小型机组超过17万台，居世界之首。各种完善的措施，以及切合实际的技术指标，使机组的使用寿命超过15年。无故障和免维护达到3年以上，较低的启动风速、切入风速以及额定风速，使产品更适合于在低风速区域使用，调速方式简单，机组性能可靠。因此，提出用小型机组进行多元组合，不涉及复杂的技术问题。仅仅是使用方法不同而已。
2、风墙
风墙的结构型式目前还拿不到可供参考的蓝本，早些时候，美国、日本、前南斯拉夫，曾经有过尝试，最终因造价偏高而放弃。除技术性能得到肯定之外，再没有人对此进行更深层的探讨，扩压引射风能转换系统也因造价偏高和结构复杂而面临同样的结果，所以，风电场建设都聚焦在大型机组的发展上，形成单一的开发模式。由于大型机组的国产化问题一直没有得到解决，因此，束缚了国内风电产业的发展。通过总结国内外各种经验和教训，认为利用现有的小型机技术，引入负压理论，进行多元组合应当是一种积极的办法，具有现实意义。
风墙的设计依旧来自于工程建筑方面，综合了国内的现状，最终结论是，风墙不要求象拦水坝那样的强度，因为能量密度的对比，前者是后者的800倍以上，也不需要象楼房那样的结构型式。风墙仅仅是一种框架结构，不存在技术障碍，结构简单，成本较低，国外造价偏高可能来自设计结构和工程造价本身。小型机的制造成本至今仍很高。
目前我们设计的风墙分两种类型，框架式和塔架式，前者不再重复，塔架式是以多个单独的塔架进行横向排列，并与概率较高的风向相垂直。塔架上设计了若干台机组。尽可能大的迎风面积，以便增加发电量，同时兼顾防风固沙。因此，风墙的设计高度以50米为宜，长距离的连续的拦截效果最好，所以风墙的长度，应当是整个风口（小规模的独立运行体系另议）。
3、辅助设施的配置方面
小型机的辅助设施比较少，常见的侧偏调速和短路停机即可达到控制的目的，多元组合后，这种方法仍然有效。
二、制造成本
负压理论能否在规模化风能开发中得到广泛的应用，工程造价是关键因素，下面分3个方面探讨成本问题。
1、机组的制造成本
国内小型机组造价比较低，相当于国外的1/5左右。这与所支付的原材料以及加工费有关，最近几年我们又从工艺流程、选材以及管理方面入手，使产品的制造成本又降低了50%以上，目前各种规格的小型机组成本价见表。
规格（W） 成本价（元/套） 现售价（元/套） 原售价（元/套） 说明
150 500 1078 1250 不含逆变器
300 1000 2178 4500 含逆变器
500 1600 3600 6600 含逆变器
1000 3000 7200 12000 含逆变器
2000 4000 13200 30000 含逆变器
5000 12000 25000 70000 含逆变器
以2KW机组为例，发电机1500元，风叶250元，逆变电源750元，整流器100元，塔架300元，回转体300元，附件200元，合计3400元，其它费用，房屋、水电、税收、人员工资，每台附加600元，合计4000元/套。每KW的成本为4000÷2=2000元。如果形成大规模批量生产，成本还会下降。
此外，国内机组额定风速10米/秒以下，国外机组为15米/秒，因此，国内机组的工作效率要比国外高。
2、墙体的制造成本
1）框架式：
楼房的框架成本为500元/平方米，风墙的框架成本为350元/平方米，因为风墙比楼房少了两面隔墙，同时少了室内小单元隔层。一个25平方米的单元，可容纳6KW的发电容量，一个56.25平方米的单元，可容纳15KW的发电容量。
25平方米的单元每KW的成本为：
350×25÷6=1458元，
56.25平方米的单元每KW的成本为：
350×56.25÷15=1312.5元
2）塔架式：
每个塔架需要6吨钢材，含工程费用，每个塔架成本价为30000元，可容纳2KW机组26台，装机容量52KW。
每KW的成本为：
30000÷52=577元。
3）辅助设施：
辅助设施指地面控制系统，电池组，稳定电源，配电系统等，这些设施的成本很低，只有100元/KW，对整体成本影响不大。
通过以上分析，我们对风墙的总体成本评估如下：
结构类型 机组（元/KW） 墙体（元/KW） 辅助设施（元/KW） 合计（元/KW）
框架式25㎡ 2000 1458 100 3558
框架式56㎡ 2000 1312.5 100 3412.5
塔架式 2000 577 100 2677
综合评估结果为4000元/KW（含不可预见开支）。
三、经济效益与社会效益
风能开发的初衷来自于可持续发展的能源战略，同时兼顾环境因素，因此，在风能开发的初级阶段，并没有因为发电成本偏高而停止发展，相反，各国政府都把发展风能开发作为重要的战略目标来发展，相关的扶持政策，极大地刺激了产业的发展。随着科技水平和制造工艺的提高，发电成本逐年下降，从最初的50美分/KWH降至目前的5美分/KWH，并且已具备了与常规化石能源竞争的能力，缓解大气污染以及防风固沙的作用受到了全人类的欢迎。
风墙作为一种新的设想，在解决了制造成本问题之后，估计会有4个方面的积极意义：
1、继续降低发电成本，使风力发电成为一种最廉价的发电方式。
1）小型机组的制造成本现在已降到2500元/KW以下，含逆变电源。
2）负压理论的指导，原理的应用，负压孔的设计，使机组的工作效率提高了三倍以上。相信负压理论将会在今后的风能事业上发挥巨大的作用。
3）利用阳光在墙两侧出现新的温差，使孔内形成新的风源。
4）使无效风速（低于3米/秒）变为有效风速。
2、打破国际间的垄断局面。
大型机的制造，目前仍垄断在少数国家手上，严重的阻碍着国内的发展，然而，实现大型机组的国产化并得到普及仍然需要较长的时间，如果继续推迟到下一个五年计划，他的负面影响就更大了。
比较起来，风墙是一件很容易实现的事情，设计、制造、安装和维护都很简单，成本低廉，工期短，见效快，可分阶段开发。方案的可操作性在于容易普及，并迅速形成规模。
3、防风固沙。
大规模的连续的拦风作用，可以防风固沙。在风口地带，连续建造数十公里长的几道风墙，不仅可获得大量的能源，同时可以阻止沙尘暴的发生，防止扬沙天气，阻止沙化蔓延，甚至墙进沙退。
风墙还可以作为一种景观，因为它比万里长城更高、更壮观，它是一个充满活力的能源长城。
4、减少空气污染。
由于风墙有诸多的特点，因此，它的应用领域也是广泛的，适合于安装的场合也很多，例如油田，全国绝大部分油田风力资源丰富，如大庆、胜利、辽河、华北、大港、新疆等。油田也是用电大户，大庆油田总用电设备250万KW，年用电量240亿度，年电费耗资120亿人民币，99年以前，每年电力耗资占工业总产值的20%，2000年后占10%，因为原油涨价，工业总产值上升，原油产量并未上升。
油田往往地域宽广，适合于风电的发展，此外大庆油田西部外围沙化严重，流动沙丘已淹没了村庄，部分沙丘淹没了房屋，导致移民。据专家推算，今后两三年内沙化将直接影响油田的生产生活。
风墙同样适合各种行业，多个场合，无电村屯，沿海岛屿，边防哨所，沙漠边缘，风口地带等。市区建筑无顶端也可以尝试。
四、发展趋势及动态分析
最近几年，私营企业介入风能界的趋势比较明显，所产生的影响也比较大，归纳起来有5个方面。
1、制造成本和销售价格明显下降，推动了行业的发展。
2、服务质量有了明显提高，稳定了市场。
3、扩大了风能产品的应用领域，已经从草原走向各个方面，无电村屯，沿海岛屿，边防哨所，水产养殖，船舶等各个方面，下一阶段还将渗透到各个工矿企业。
4、风能产品已开始向常规能源挑战，随着风能开发模式的多样化，依靠它的灵活性以及较低的发电成本，风电将直接参与工矿企业的能源供给。
5、大量的人力、物力、财力的投入，也推动了科技方面的发展，新的思路、方案、设计得到了支持，有的已实施完毕，有的正在实施，有的正准备实施。
下一阶段私营企业还将介入到大型机组的研制并介入到风电场的建设中去，符合我国国情的多种风能开发模式将很快出现，与全国其它行业一样，改革开放以来，由于私营企业的介入和私营机制的出现，导致了各行各业的发展，风能行业虽然刚刚开始介入，但是已经发生了较大的影响，培植和发展了市场，相信经过努力之后，可以赶上和超过其它行业。