國(guó)家能源局在4月22日下發(fā)通知，將對(duì)火電機(jī)組強(qiáng)制實(shí)行非水可再生能源的配額考核機(jī)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(wú)奈。筆者所在的地區(qū)擔(dān)負(fù)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(shí)矗立在一起時(shí)，不知道這是一種什么樣的凄慘場(chǎng)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(guò)渡的階段。一方面是面臨枯竭的傳統(tǒng)能源，一方面是無(wú)法肩負(fù)能源供應(yīng)的風(fēng)電。在一些電力消納區(qū)，低于2000小時(shí)的平均發(fā)電風(fēng)時(shí)，傳統(tǒng)能源并齊的上網(wǎng)電價(jià)，在沒(méi)有政府其他補(bǔ)貼的情況下，風(fēng)電場(chǎng)幾乎是建一個(gè)，一個(gè)在負(fù)利運(yùn)營(yíng)。
面對(duì)這樣的問(wèn)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(lái)，水平軸風(fēng)電機(jī)組的發(fā)展或許達(dá)到頂峰，風(fēng)電設(shè)備市場(chǎng)的未來(lái)應(yīng)在于垂直軸風(fēng)電機(jī)組”。那么垂直軸風(fēng)電技術(shù)革新能否給能源行業(yè)帶來(lái)驚喜嗎？
一、垂直軸風(fēng)電的經(jīng)驗(yàn)
2005年，行業(yè)投入力量從國(guó)外學(xué)習(xí)垂直軸機(jī)組技術(shù)。2008年-2012年，國(guó)內(nèi)多家企業(yè)先后投入樣機(jī)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(jī)試驗(yàn)；香港和合、深圳風(fēng)發(fā)、國(guó)能風(fēng)電投入了垂直軸H型樣機(jī)試驗(yàn)。
圖3.垂直軸Φ型風(fēng)電場(chǎng)
說(shuō)是研究，實(shí)際上就是對(duì)國(guó)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(méi)有核心突破，從千瓦級(jí)就貿(mào)然進(jìn)入兆瓦級(jí)，結(jié)果很明顯，基本都重復(fù)國(guó)外的結(jié)果。
這段時(shí)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(rèn)定垂直軸風(fēng)電就不適合大型化，令人欣慰的是Sandia實(shí)驗(yàn)室2012年重啟了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究。
這個(gè)時(shí)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(yàn)，在葉片強(qiáng)度、支撐結(jié)構(gòu)等問(wèn)題上都有進(jìn)展，垂直軸風(fēng)電的大型化必須克服振動(dòng)、效率、制動(dòng)和控制四大問(wèn)題。下面，對(duì)克服震動(dòng)、效率兩大問(wèn)題簡(jiǎn)要探討。
二、穩(wěn)定的切向力克服振動(dòng)問(wèn)題
升力型垂直葉片在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，葉片攻角成正弦曲線運(yùn)動(dòng)。變化的攻角使的葉片受力明顯傾向一側(cè)，加上中軸過(guò)長(zhǎng)，造成設(shè)備嚴(yán)重偏載震動(dòng)，影響設(shè)備的安全運(yùn)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(guò)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(yùn)動(dòng)切線方向一致，加上適當(dāng)位置上的支點(diǎn)固定，使風(fēng)機(jī)能夠沿中軸線穩(wěn)定運(yùn)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(jī)的安全運(yùn)行。
圖5.陀螺
水平軸風(fēng)機(jī)也有振動(dòng)問(wèn)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(jī)時(shí)代又進(jìn)了一步。
估計(jì)很多人會(huì)問(wèn)怎么才能做到穩(wěn)定的切向力。因?yàn)檫@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(guò)水平軸風(fēng)電，達(dá)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(gè)任重而道遠(yuǎn)。
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(rèn)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(méi)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)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(dá)到成熟，必須是特殊的固定翼型，既能獲得阻力型的強(qiáng)勁力矩又能比升力型小的運(yùn)行阻力。很多人會(huì)因此燒腦或質(zhì)疑，為此筆者做了很多相關(guān)的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明這個(gè)問(wèn)題。
在后續(xù)的文章，將繼續(xù)討論非機(jī)械方式的風(fēng)機(jī)制動(dòng)、分散式遠(yuǎn)程集中控制、微觀資本的參建以及三個(gè)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(wèn)題。
煤礦閉坑的那一天，一個(gè)裝機(jī)3MW垂直軸風(fēng)電，在低風(fēng)速區(qū)能獲得3000發(fā)電風(fēng)時(shí)，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(gè)社區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的電能需求。這時(shí)風(fēng)電才能擔(dān)負(fù)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(xiàng)原創(chuàng)技術(shù)，不是一個(gè)人、一個(gè)公司和一所高校能完成的。希望通過(guò)這篇文章喚醒社會(huì)對(duì)垂直軸風(fēng)電的重視和垂直軸風(fēng)電先驅(qū)者們的熱忱。
