联合聚风超大功率风力发电机组及其技术价值分析
 
 

 
 
      （发明专利号：200510084278.2）提纲：联合聚风超大功率风力发电机组可带来风力发电全新方式与效益，其采用分风与联合聚风的方式、采用“伞式桨叶伸缩调控系统”的上下简单移动控制，可调控桨轮风轮各个桨叶的幅面伸展长短，实现启动、调频、刹车调节，其直接驱动多发电机的传动系统可形成多级出力能力及调控；其使系统结构大幅度简化，效率与出力能力大幅度提高。

　　内容：风力发电是开发可再生能源的重点领域，风能资源广泛，风力发电过程无任何消耗和污染物体产生，因此实现风力发电低成本、规模化开发应用可形成巨大的商机和经济社会效益。但从当前中国的风电市场看，一方面面临巨大机遇，一方面面临严峻挑战。

　　当前风力发电实现规模化开发需要解决的技术问题主要有：①需要实现风电机组的大功率出力能力设计，以提高风电产业规模化开发应用能力；②需要大幅度降低风力发电机组的制造成本；③需要有效提高机组的运行效率和风能利用能力；④因为现有风电机组的技术起源地在欧洲，那里没有台风（飓风）的气流形态，没有高寒冷温度对机组高分子材料形成的超低温破坏影响，因此在中国及世界许多国家地区进行风力发电的有效开发，风电机组还必须有避免与消除上述气候状况影响的创新技术作为支持。

　　全新类型设计的“联合聚风超大功率风力发电机组”（下简称：联合聚风机组）发明专利技术在解决上述四大技术需求问题的探索创新中形成了独特的综合优势群。

1、工作原理概述

　　联合聚风机组是将多个长菱形设计形态的“分风式风力发电机组”（下简称：分风机组）间隔并列联合设置，因此在相邻间隔设置的各个长◇形机组的两侧，均可形成由分风机舱分风与其相互影响聚风形成的聚风过流通道，形成相互聚风的效果。而立式双桨轮风轮的桨叶正好并列处于聚风过流通道中，从而使聚集风力持续不断地切向冲击桨轮风轮的最大力矩处，推动其旋转形成最大出力能力转换。

　　“分风机组”是由立式双桨轮风轮相互齿合联合构成，并可通过并列设置的机组相互联合，使若干个机组实现联合联动的一体化出力态势。可通过< >形聚风斜面的双向合并天然构成机组的设备间（分风机舱）；其通过“伞式桨叶伸缩调控系统”的上下简单移动控制，可简单、准确、快速、有效地整体调控桨轮风轮各个桨叶的伸展幅面，实现微风启动、随风调频与刹车减力的控制。
分风机舱为面对风向的完全固定形态，其对风方法是利用自然界风力路径直线来回运动的特点，通过桨轮风轮正、反旋转方向的调节变化适应风力方向的整体变化，因聚风通道有顺风作用，桨轮风轮对风向又没有特别严格的要求，因此在风向小角度左右偏离主线方向的情况下，不会对机组运行产生任何影响（注：自然界绝大多数地区风向运动的偏离角度均不会大，在容许的范围内）。

2、主要创新结构及其功效

　　立式双桨轮风轮

　　桨轮风轮是联合聚风机组的乘风出力部件，其由立式双桨轮风轮相互齿合联合构成，桨轮风轮由桨轮辊及在其上设置的若干个伸展桨叶构成。桨叶为可向桨轮辊内移动收缩的活动形态设计，通过“伞式桨叶伸缩调控系统”的上下简单移动控制，可准确、快速、有效、整体地调控桨轮风轮各个桨叶的幅面伸展长短，在机组出现故障、发电机过载、频率超标时，可通过风轮各个桨叶的同时内移缩小幅面的方式，实现机组减力刹车与随时调频（与现有机组的转桨顺桨调控作用结果相同），多数情况下伸缩桨叶操作还可与多个发电机设置形成的梯级出力能力进行配合。

　　分风机舱

　　分风机舱的设计形态、规格和其多样化变化是形成联合聚风机组技术方案的核心之一。

　　从俯视角度看分风机舱如同一个长菱形体，其左右两侧各有两个聚风斜面，通过分风机舱实现前后双方向的分风与在机舱两侧的相邻影响形成的相互聚风，分风机舱在实现上述功效的同时，又天然构成机组前后两个设备安装间。分风机舱可同时起到遮挡桨轮风轮半幅旋转弧面体，完成其出力方式需求的多重任务。

　　直接驱动多发电机的传动系统

　　直接驱动多发电机的传动系统可使分风机组拥有出力能力梯级巨大差距和其方便与风力强度变化的及时适应性调控，这对于超大功率风力发电机组具有特别重要的效益形成作用，其可充分利用微风发电，又可在强风时间大幅度提高机组的发电能力。实现该功能的方法是采用在同一传动齿轮上一同并列设置一个以上的发电机，该设计理由有四：

①因联合机组可简单轻松地实现单机兆瓦级以上的发电功率水平，因此如果实现2兆瓦级、5兆瓦级、10兆瓦级、20兆瓦级、50兆瓦级……等超大功率机组设计时就需要功率更为巨大的发电机配合，而只设置一个更大功率的发电机不方便进行高空设置与安装。

②由风力发电的特性决定：可通过1个以上发电机的设置方式，简单方便地形成机组出力的梯级巨大变化调控能力，方便扩大机组的用风强度范围和用风时间范围。

③可在发电机设置数量形成的巨大梯级出力能力范围内进行桨叶伸缩的微型调控。即：当处于梯级交汇处时，风力再大机组不是要进行缩桨操作，而是要提高发电机的设置数量，并同时进行伸桨操作增加发电；反之，风力再小，伸桨已到尽头没有作用，机组可进行减少发电机数量设置的减力调控。

④分风机组的总体设计结构和传动机构形成的综合设计形态，可简单、方便、灵活、廉价地实现设置1个以上拥有可分合、撤并功能控制的发电机的独特优势。
制动方法与制动系统

　　联合聚风机组的制动方法是：1.通过缩桨减力实现机组减速；2.通过制动器实现刹车。因此其制动器无需十分强大与复杂，且其制动器是与联合传动齿轮一体化设计，没有制动盘，从而使制动系统结构大幅度简化。

　　互连横梁、塔架与基础

　　通过塔架与基础实现分风机舱的空中高举安装。对一个分风机舱的支撑最经济的方法是采用2个塔架，但是对于更高大与更宽大的分风机舱来讲，采用单一一线式的支撑结构有侧倾的危险，因此采用将整个联合排列的各个机组机舱用1-2个“互连横粱”进行相邻机组之间的一体化串联固定，使其形成相互依靠的横向稳定结构体。

　　3、创新点及其优势

　　⑴系统部件承重载荷大幅减小

　　现有巨型三叶片式风电机组对控制系统部件的承重载荷巨大，与之相比桨轮风轮各个桨叶的中部可设支撑圆环架进行环绕式支撑，桨轮桨叶无需通过桨叶自身形态形成流体化空气动力出力能力，因此在实现相同风力有效接触面设计的情况下，桨轮风轮的自身重量可数倍地轻于三叶片叶片，直径可大幅度减少，加工方式可大量简化，可形成标准化流水线作业。也同时消除了叶片巨大承重载荷形成的超低温脆裂起因。

　　 ⑵用风条件和质量大幅提高

　　因为数十米长的三叶片上下旋转运动方式，使叶片在不同空间高度获得的乘风强度随时面临较大的差距与频繁变化，因此使超长叶片机组容易出现振动问题；与其比较，桨轮风轮的桨叶对风力无分解、无横向扰动、无产生叶尖噪音的条件，而且由于联合机组分风机舱的间隔阻隔，使联合机组各个气流通道的气流互不影响，机组的出力用风是在相同高度采取，可使风力强度稳定一致，其聚风作用更可有利于削平自然界风力强度频率的瞬间剧烈变化幅度对机组稳定运行产生的影响。
菱形机舱结构体可使作用在其上的风压获得大幅度分解，可大幅消解风力对机舱的直接冲击，并可将负面影响转化为机组发电动力；因此在相同投资、相同风资源的情况下采用聚风机组可大幅提高风电厂的总装机容量，大幅增加投资收益额度。

      ⑶结构大幅度简化

      联合聚风机组在实现大功率的过程中无需超长超重的巨型叶片和对其进行的高难度复杂结构的旋转顺桨控制。与三叶片风轮比较，在实现相同出力能力的情况下，或是在实现相同风轮表面有效乘风面积下，桨轮风轮的旋转形成面直径将数倍减小，对传动比的设计压力大幅度降低，其与桨轮风轮一体化同轴大齿轮配合方式又提供了极高的传动比设计空间，可实现由风轮同轴齿轮直接驱动发电机连接齿轮实现直接传动的理想状态，因此无需复杂的齿轮箱设置。  
聚风机组分风机舱为固定式，无需偏航系统和机舱控制箱等复杂结构与复杂的系统控制需求。

      ⑷调控系统简单，消除台风影响

      与现有发电机组变桨距调控系统比较，伞式桨叶伸缩调控系统更加简单、快捷、稳定、有效、耐用、价廉；在低速风力条件下起动时，桨叶伸缩系统可将桨叶推到适合的位置，使风轮具有最大的起动力矩和乘风面积，再通过聚风作用和机组起动时单一发电机运行实现的巨大梯级减力因素等三重作用，可在更小微风下顺利投入正常工作，如果遇到台风、飓风可通过将桨叶全部收缩的操作，消除恶劣风力对机组的伤害。

      ⑸出力能力大幅提高

     风能如同太阳能，分散而广泛；风能更像水能，通过设施的建设可使其能量在渐进变窄的通道内获得聚集加强，使风能倍增（因为风速和功率是三次方的关系），因而采用聚风的机组设计结构，并使聚集的高速风力切向作用在风轮的在大力矩处，是实现单机大功率风电机组出力能力、适风能力开发设计的有效途径。

      ⑹单机大功率能力拓展空间巨大

      桨轮风轮可实现直径与高长双向扩展能力，因此机组的设计规格与出力能力将有极大的、轻松的扩展能力空间，可大幅度地调整变化机组的出力能力设计；此外，联合聚风机组可实现多机组的联合联动一体化出力形态设计。

4、应用前景

       综上所述明显可见，联合聚风风电机组可满足当前风力发电产业化发展急需解决的四大技术要求，其可使影响当前风力发电发展的故障率、建设成本、维修成本大幅降低，可使机组功率、用风条件和出力能力大幅度提高，可使投入与产出比大幅度提高，其发明出现将带来风电产业革命性的巨变.

 
on等就已经开始了对非晶硅电池的研制工作,近几年它的研制工作得到了迅速发展,目前世界上己有许多
家公司在生产该种电池产品。
　　非晶硅作为太阳能材料尽管是一种很好的电池材料，但由于其光学带隙为1.7eV, 使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样一来就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退S一W效应，使得电池性能不稳定。解决这些问题的这径就是制备叠层太阳能电池，叠层太阳能电池是由在制备的p、i、n层单结太阳能电池上再沉积一个或多个P-i-n子电池制得的。叠层太阳能电池提高转换效率、解决单结电池不稳定性的关键问题在于：①它把不同禁带宽度的材科组台在一起，提高了光谱的响应范围；②顶电池的i层较薄，光照产生的电场强度变化不大，保证i层中的光生载流子抽出；③底电池产生的载流子约为单电池的一半，光致衰退效应减小；④叠层太阳能电池各子电池是串联在一起的。
　　非晶硅薄膜太阳能电池的制备方法有很多，其中包括反应溅射法、PECVD法、LPCVD法等，反应原料气体为H2稀释的SiH4，衬底主要为玻璃及不锈钢片，制成的非晶硅薄膜经过不同的电池工艺过程可分别制得单结电池和叠层太阳能电池。目前非晶硅太阳能电池的研究取得两大进展：第一、三叠层结构非晶硅太阳能电池转换效率达到13％，创下新的记录；第二.三叠层太阳能电池年生产能力达5MW。美国联合太阳能公司（VSSC）制得的单结太阳能电池最高转换效率为9．3%，三带隙三叠层电池最高转换效率为13％.
上述最高转换效率是在小面积（0．25cm2）电池上取得的。曾有文献报道单结非晶硅太阳能电池转换效率超过12．5％，日本中央研究院采用一系列新措施，制得的非晶硅电池的转换效率为13．2％。国内关于非晶硅薄膜电池特别是叠层太阳能电池的研究并不多，南开大学的耿新华等采用工业用材料，以铝背电极制备出面积为20X20cm2、转换效率为8．28％的a－Si/a－Si叠层太阳能电池。
　　非晶硅太阳能电池由于具有较高的转换效率和较低的成本及重量轻等特点，有着极大的潜力。但同时由于它的稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一

2 多元化合物薄膜太阳能电池
　　为了寻找单晶硅电池的替代品,人们除开发了多晶硅、非晶硅薄膜太阳能电池外，又不断研制其它材料的太阳能电池。其中主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。上述电池中，尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代
　　砷化镓III-V化合物及铜铟硒薄膜电池由于具有较高的转换效率受到人们的普遍重视。GaAs属于III-V族化合物半导体材料，其能隙为1．4eV，正好为高吸收率太阳光的值，因此，是很理想的电池材料。GaAs等III-V化合物薄膜电池的制备主要采用 MOVPE和LPE技术，其中MOVPE方法制备GaAs薄膜电池受衬底位错、反应压力、III-V比率、总流量等诸多参数的影响。
　　除GaAs外，其它III-V化合物如Gasb、GaInP等电池材料也得到了开发。1998年德国费莱堡太阳能系统研究所制得的GaAs太阳能电池转换效率为24．2％，为欧洲记录。首次制备的GaInP电池转换效率为14．7％．见表2。另外，该研究所还采用堆叠结构制备GaAs，Gasb电池，该电池是将两个独立的电池堆叠在一起，GaAs作为上电池，下电池用的是Gasb,所得到的电池效率达到31．1％。
　　铜铟硒CuInSe2简称CIC。CIS材料的能降为1．leV，适于太阳光的光电转换,另外，CIS薄膜太阳电池不存在光致衰退问题。因此，CIS用作高转换效率薄膜太阳能电池材料也引起了人们的注目。
　　CIS电池薄膜的制备主要有真空蒸镀法和硒化法。真空蒸镀法是采用各自的蒸发源蒸镀铜、铟和硒，硒化法是使用H2Se叠层膜硒化，但该法难以得到组成均匀的CIS。CIS薄膜电池从80年代最初8％的转换效率发展到目前的15％左右。日本松下电气工业公司开发的掺镓的CIS电池，其光电转换效率为15．3％（面积1cm2）。1995年美国可再生能源研究室研制出转换效率为17．l％的CIS太阳能电池，这是迄今为止世界上该电池的最高转换效率。预计到2000年CIS电池的转换效率将达到20％，相当于多晶硅太阳能电池。
　　CIS作为太阳能电池的半导体材料，具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。
3 聚合物多层修饰电极型太阳能电池
　　在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制爸的研究方向。其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料（电极）表面进行多层复合，制成类似无机P－N结的单向导电装置。其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰，外层聚合物的还原电位较高，电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时．光敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。
　　由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。
4 纳米晶化学太阳能电池
　　在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最成熟的，但由于成本居高不下，远不能满足大规模推广应用的要求。为此，人们一直不断在工艺、新材料、电池薄膜化等方面进行探索，而这当中新近发展的纳米TiO2晶体化学能太阳能电池受到国内外科学家的重视。
　 自瑞士Gratzel教授研制成功纳米TiO2化学大阳能电池以来，国内一些单位也正在进行这方面的研究。纳米晶化学太阳能电池（简称NPC电池）是由一种在禁带半导体材料修饰、组装到另一种大能隙半导体材料上形成的，窄禁带半导体材料采用过渡金属Ru以及Os等的有机化合物敏化染料，大能隙半导体材料为纳米多晶TiO2并制成电极，此外NPC电池还选用适当的氧化一还原电解质。纳米晶TiO2工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2导带，染料中失去的电子则很快从电解质中得到补偿，进入TiO2导带中的电于最终进入导电膜,然后通过外回路产生光电流。
　　纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到2O年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。
5 太阳能电池的发展趋势
　　从以上几个方面的讨论可知，作为太阳能电池的材料，III-V族化合物及CIS等系由稀有元素所制备，尽管以它们制成的太阳能电池转换效率很高，但从材料来源看，这类太阳能电池将来不可能占据主导地位。而另两类电池纳米晶太阳能电池和聚合物修饰电极太阳能电地存在的问题，它们的研究刚刚起步，技术不是很成熟，转换效率还比较低，这两类电池还处于探索阶段，短时间内不可能替代应系太阳能电池。因此，从转换效率和材料的来源角度讲，今后发展的重点仍是硅太阳能电池特别是多晶硅和非晶硅薄膜电池。由于多晶硅和非晶硅薄膜电池具有较高的转换效率和相对较低的成本，将
最终取代单晶硅电池，成为市场的主导产品。
　　提高转换效率和降低成本是太阳能电池制备中考虑的两个主要因素，对于目前的硅系太阳能电池，要想再进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后研究的重点除继续开发新的电池材料外应集中在如何降低成本上来，现有的高转换效率的太阳能电池是在高质量的硅片上制成的，这是制造硅太阳能电池最费钱的部分。因此，在如何保证转换效率仍较高的情况下来降低衬底的成本就显得尤为重要。也是今后太阳能电池发展急需解决的问题。近来国外曾采用某些技术制得硅条带作为多晶硅薄膜太阳能电池的基片，以达到降低成本的目的，效果还是比较现想的。