國家能源局在4月22日下發(fā)通知，將對火電機組強制實行非水可再生能源的配額考核機制。此消息一出，貌似風(fēng)電的又一重大“利好消息”。但是“利好消息”的背后卻是更多的無奈。筆者所在的地區(qū)擔(dān)負著全省60%的煤炭生產(chǎn)量，而這些煤礦絕大部分的服務(wù)年限在15年左右。當(dāng)資源枯竭的煤礦井架和遺棄的風(fēng)電塔筒同時矗立在一起時，不知道這是一種什么樣的凄慘場景？
圖1.煤礦井架
圖2.廢棄的風(fēng)電塔筒
現(xiàn)在是傳統(tǒng)能源向新能源過渡的階段。一方面是面臨枯竭的傳統(tǒng)能源，一方面是無法肩負能源供應(yīng)的風(fēng)電。在一些電力消納區(qū)，低于2000小時的平均發(fā)電風(fēng)時，傳統(tǒng)能源并齊的上網(wǎng)電價，在沒有政府其他補貼的情況下，風(fēng)電場幾乎是建一個，一個在負利運營。
面對這樣的問題，是不是要重新審視當(dāng)前的風(fēng)電技術(shù)。歐洲風(fēng)能發(fā)展公司執(zhí)行總監(jiān)Steven Peace指出：“在不久的將來，水平軸風(fēng)電機組的發(fā)展或許達到頂峰，風(fēng)電設(shè)備市場的未來應(yīng)在于垂直軸風(fēng)電機組”。那么垂直軸風(fēng)電技術(shù)革新能否給能源行業(yè)帶來驚喜嗎？
一、垂直軸風(fēng)電的經(jīng)驗
2005年，行業(yè)投入力量從國外學(xué)習(xí)垂直軸機組技術(shù)。2008年-2012年，國內(nèi)多家企業(yè)先后投入樣機的研究階段。三峽辦、上海舉風(fēng)、福祿公司先后投入了垂直軸Φ型樣機試驗；香港和合、深圳風(fēng)發(fā)、國能風(fēng)電投入了垂直軸H型樣機試驗。
圖3.垂直軸Φ型風(fēng)電場
說是研究，實際上就是對國外技術(shù)的模仿、復(fù)制階段。在結(jié)構(gòu)、材料、加工工藝上沒有核心突破，從千瓦級就貿(mào)然進入兆瓦級，結(jié)果很明顯，基本都重復(fù)國外的結(jié)果。
這段時間的教訓(xùn)，導(dǎo)致垂直軸風(fēng)電技術(shù)的停滯不前，使很多人認定垂直軸風(fēng)電就不適合大型化，令人欣慰的是Sandia實驗室2012年重啟了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究。
這個時期探索給垂直軸風(fēng)電發(fā)展留下了寶貴的技術(shù)經(jīng)驗，在葉片強度、支撐結(jié)構(gòu)等問題上都有進展，垂直軸風(fēng)電的大型化必須克服振動、效率、制動和控制四大問題。下面，對克服震動、效率兩大問題簡要探討。
二、穩(wěn)定的切向力克服振動問題
升力型垂直葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，葉片攻角成正弦曲線運動。變化的攻角使的葉片受力明顯傾向一側(cè)，加上中軸過長，造成設(shè)備嚴重偏載震動，影響設(shè)備的安全運行。
圖4.升力型垂直軸葉片攻角變化曲線圖
如果，葉片在旋轉(zhuǎn)過程中，在330°-360°范圍內(nèi)，葉片的切向力（升力）方向始終和葉片圓周運動切線方向一致，加上適當(dāng)位置上的支點固定，使風(fēng)機能夠沿中軸線穩(wěn)定運行就像旋轉(zhuǎn)的陀螺，即使我們用力抽拉，陀螺還能穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)，位移偏轉(zhuǎn)很小。避免偏振和諧振的作用，提高垂直軸風(fēng)機的安全運行。
圖5.陀螺
水平軸風(fēng)機也有振動問題，但是其穩(wěn)定的切向力避免了偏振效應(yīng)，所以水平軸才能做得更大。如果垂直軸也能避免偏振效應(yīng)，那么離大風(fēng)機時代又進了一步。
估計很多人會問怎么才能做到穩(wěn)定的切向力。因為這次我們只做技術(shù)交流。
三、特殊捕風(fēng)方式提高效率
獲得穩(wěn)定切向力（升力）垂直軸風(fēng)電，風(fēng)能利用率必然提高，但這些肯定不夠，只有使垂直軸風(fēng)電風(fēng)能利用率超過水平軸風(fēng)電，達到貝茨極限，垂直軸風(fēng)電技術(shù)才能算是成熟。當(dāng)然，這個任重而道遠。
垂直軸風(fēng)電風(fēng)能利用率低，一直不被行業(yè)內(nèi)人士認可。阻力型（平板式）風(fēng)能利用率不超12%；風(fēng)杯式不超7%；S型不超25%；升力型垂直軸也就在15-30%；而大型水平軸風(fēng)電風(fēng)能利用率卻在35-50%。
很多工程技術(shù)人員為了提高垂直軸風(fēng)電風(fēng)能利用率及升力型自啟能力，將兩種葉片結(jié)合在一起，并沒有避免各自葉片的受力缺陷；也有葉片變角的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)在長時間運行過程中屬于易損件，尤其是40年以上服務(wù)，是不可取的結(jié)構(gòu)。
圖6.升阻型垂直軸風(fēng)電
如果垂直軸風(fēng)電技術(shù)達到成熟，必須是特殊的固定翼型，既能獲得阻力型的強勁力矩又能比升力型小的運行阻力。很多人會因此燒腦或質(zhì)疑，為此筆者做了很多相關(guān)的實驗來證明這個問題。
在后續(xù)的文章，將繼續(xù)討論非機械方式的風(fēng)機制動、分散式遠程集中控制、微觀資本的參建以及三個指標(biāo)：（1）6m/s風(fēng)速滿發(fā)； （2）5-7年回收全部投資； （3）40年以上的安全服務(wù)壽命等問題。
煤礦閉坑的那一天，一個裝機3MW垂直軸風(fēng)電，在低風(fēng)速區(qū)能獲得3000發(fā)電風(fēng)時，服務(wù)年限40年，每戶每年1000度的電能消耗，能供應(yīng)9000戶的能源需求，相當(dāng)于一個社區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的電能需求。這時風(fēng)電才能擔(dān)負起能源供應(yīng)的重任。
大型垂直軸風(fēng)電技術(shù)研究已經(jīng)停滯了好幾年了，一項原創(chuàng)技術(shù)，不是一個人、一個公司和一所高校能完成的。希望通過這篇文章喚醒社會對垂直軸風(fēng)電的重視和垂直軸風(fēng)電先驅(qū)者們的熱忱。
