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小型風力發電：輸出功率提高 為普及帶來利好

知識百科

   位于日本仙臺市的自然風力發電公司安裝的西班牙Ennera公司生產的小型風力發電機 。 并排安裝6臺 ， 提高了總發電量
小型風力發電機正迎來全面普及期 。 與其他可再生能源相比 ， 較高的電力收購價格對普及起到了推動作用 。 為了提高風輪的輸出功率、降低設備的總體成本 ， 業界進行了多項技術革新 。
在2016年3月2日于東京有明國際會展中心開幕的為期3天的“日本第4屆國際風力發電展”上 ， 歐美、中國大陸、臺灣、日本的廠商競相展出了最新的小型風力發電機和正在開發的產品 。 各廠商都以性能及設置成本等為賣點 ， 向參觀者熱情地宣傳了自己的產品 。
日本把輸出功率不足20kW的產品定義為小型風力發電機 。 目前正在掀起這種小型風力發電機的安裝熱潮 。 對此起到推動作用的是售電價格高達光伏發電兩倍以上的可再生能源固定價格收購制度（FIT） 。
小型風力發電的收購價格為每度55日元 。 而光伏發電由于裝機量劇增 ， 日本經濟產業省修改了價格 ， 的收購價格已于2015年7月下調至每度27日元（10kW以上） 。 因此 ， 各小型風力發電機廠商的相關負責人都表示 ， “以前打算導入光伏發電系統的個人和企業開始對小型風力發電機產生興趣” 。 而且 ， 世界風能協會的報告顯示 ， 最近五年全球小型風力發電容量一直保持20％左右的年增長率 。
小型風力發電機普及的原因還在于導入時比大型風力發電機輕松 。 風能與受風面積成正比 ， 因此 ， 風輪的葉片越長 ， 輸出功率越高 。 與小型風力發電機相比 ， 大型發電機的輸出效率更高 ， 性價比方面也更有優勢 。 但安裝大型發電機需要很大面積 ， 而且一般來說 ， 葉片越長則產生的噪聲及低頻聲音也越大 。 與最高為25m左右的小型風輪相比 ， 100m以上的大型風輪還要考慮景觀設計 。 以前也出現過因安裝問題而引發訴訟糾紛 ， 導致計劃中斷的情況 。

目前 ， 小型風輪與大型風輪的輸出功率相差懸殊 ， 因此小型風力發電不可能成為替代能源 。 但如果安裝數量增加 ， 小型風力發電機也有望為日本可再生能源提供一臂之力 。
瞄準認證的舉措日益活躍
適用FIT出售電力的條件是 ， 必須使用獲得日本海事協會型號認證的風輪 。 截止3月16日 ， 注冊的產品共有13款 。 因市場刮起順風 ， 因此 ， 與風輪的形態及旋轉控制相關的新技術也在積極開發之中 。
小型風力發電機大體可分為水平軸型和垂直軸型兩種 。 水平軸型的典型代表是大型風力發電機也經常使用的有3片葉片的螺旋槳型 。 這種產品的旋轉軸與地面平行 ， 風輪會追隨風向旋轉 。 發電效率高于垂直軸型 。
而垂直軸型產品的旋轉軸是與地面垂直安裝固定的 ， 特點是能從所有方向聚風 。 目前這類產品在日本獲得型號認證的只有臺灣新高能源科技（HI-VAWTTechnology）的產品 。
垂直軸型中有兩種類型的產品 ， 一種是輸出功率低但風速較低時也能旋轉的薩伏紐斯型 ， 另一種是輸出功率高但風速不夠高時不會開始旋轉的大流士型 。 新高能源公司將這兩種類型組合到一起 ， 配備在了一個風輪上 。 其產品具有兩種方式的優點 ， 可在低風速時開始轉動 ， 風速提高后 ， 就能獲得較高的輸出功率 。
日本自然風力發電公司同時在銷售新高能源的這種垂直軸型產品和西班牙Ennera公司的水平軸螺旋槳型產品 ， 該公司社長山本攻表示 ， “水平軸型適合用于海邊等風向為水平方向的地方 ， 而垂直軸型適合用于存在高低差的高地等有風的地方” 。
大型軸承企業恩梯恩（NTN）也決定開發垂直軸型風力發電機 。 該公司打算從浜松市的初創企業GlobalEnergy手中購買其開發的葉片專利的使用權 ， 目標是在2017年內獲得型號認證并開始銷售 。
讓風輪在風速很高時也不停轉
風能與風速的3次方成正比 。 很多螺旋槳型風輪從每秒3m左右的風速開始有輸出 ， 在風速為每秒9m左右時 ， 達到最高輸出功率 。 但在臺風及暴風等風速過強的情況 ， 為了防止過度旋轉導致的危險 ， 會讓風輪停止旋轉 。 在風速很高能獲得高輸出功率時讓風輪停止旋轉 ， 這非常浪費 。 因此 ， 必須采取措施 ， 讓風輪不必在風速高時停止旋轉 。

愛爾蘭的C&F Green Energy是生產最大級別輸出功率的小型風輪的企業 ， 該公司的“CF20”調整了葉片角度 ， 從而可進行間距控制 ， 能夠在遇到強風時放掉一部分風 ， 以免風輪過度旋轉 。 由此 ， 在風速為每秒25m以下時風輪都不會停止 。 這種功能一般大型風輪才具備 ， 在小型風輪上十分少見 。
日本一家風力發電初創企業Zephyr（東京都港區）開發的Airdolphin可在高風速時用電控制風輪的旋轉 ， 無論遇到多大的強風 ， 風輪都能繼續旋轉 。 這是通過在葉片上使用重量輕、剛性出色的碳纖維來實現的 。
而透鏡風輪則可以在達到最高輸出功率之前的中低風速下提高發電效率 。
透鏡風輪的最大特點在于包圍在螺旋槳型風輪葉片外側的環狀“聚風體” 。 該產品由九州大學與該大學創辦的企業Riamwind（福岡市）開發 。 九州大學應用力學研究所的大屋裕二教授介紹說 ， “利用聚風體形成風漩渦 ， 可以增強風力 。 與同尺寸的螺旋槳型風輪相比 ， 輸出功率可提高到2～3倍” 。
大屋教授目前正在努力開展實用化研究的是名為“多轉子系統”的、在一個支柱上安裝多個風輪的產品 。 2015年12月在九州大學內設置了裝有三個3.1kW風輪的機型 。 通過配置3個透鏡風輪 ， 可以獲得增強風力的乘積效應 ， 發電量可提高10％左右 ， 因此可以獲得10kW的輸出功率 。 這種可提高輸出功率的改進只有小型風力發電機才能實現 。
課題是降低設備成本
小型風力發電機的最大課題是設置成本較高 。 20kW的發電機的設置費用約為2000萬～3000萬日元 。 為了解決這一課題 ， 日本新能源產業技術綜合開發機構（NEDO）開展了產學合作 ， 并已開始實施委托開發和共同開發 。 該機構在研發小型風力發電機的主要部件——電力轉換裝置等 ， 還在推進部件的標準化 ， 目標是將成本降低30％ 。
要想出售電力 ， 就必須并網 ， 將小型風力發電機提供的電力供應給電力公司的輸電網 。 小型風力發電機的特性是發電量會隨著風量頻繁變化 。 以前各廠商都是自己開發具有最佳效果的功率調節器 ， 如果能夠實現標準化 ， 就能省去多余的功能和部件 。
估計今后各廠商除了風輪之外 ， 還會在設備整體技術方面展開激烈競爭 。