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)擔負著全省60%的煤炭生產量，而這些煤礦絕大部分的服務年限在15年左右。當資源枯竭的煤礦井架和遺棄的風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.廢棄的風電塔筒
現在是傳統能源向新能源過渡的階段。一方面是面臨枯竭的傳統能源，一方面是無法肩負能源供應的風電。在一些電力消納區(qū)，低于2000小時的平均發(fā)電風時，傳統能源并齊的上網電價，在沒有政府其他補貼的情況下，風電場幾乎是建一個，一個在負利運營。
面對這樣的問題，是不是要重新審視當前的風電技術。歐洲風能發(fā)展公司執(zhí)行總監(jiān)Steven Peace指出：“在不久的將來，水平軸風電機組的發(fā)展或許達到頂峰，風電設備市場的未來應在于垂直軸風電機組”。那么垂直軸風電技術革新能否給能源行業(yè)帶來驚喜嗎？
一、垂直軸風電的經驗
2005年，行業(yè)投入力量從國外學習垂直軸機組技術。2008年-2012年，國內多家企業(yè)先后投入樣機的研究階段。三峽辦、上海舉風、福祿公司先后投入了垂直軸Φ型樣機試驗；香港和合、深圳風發(fā)、國能風電投入了垂直軸H型樣機試驗。
圖3.垂直軸Φ型風電場
說是研究，實際上就是對國外技術的模仿、復制階段。在結構、材料、加工工藝上沒有核心突破，從千瓦級就貿然進入兆瓦級，結果很明顯，基本都重復國外的結果。
這段時間的教訓，導致垂直軸風電技術的停滯不前，使很多人認定垂直軸風電就不適合大型化，令人欣慰的是Sandia實驗室2012年重啟了垂直軸風力發(fā)電機的研究。
這個時期探索給垂直軸風電發(fā)展留下了寶貴的技術經驗，在葉片強度、支撐結構等問題上都有進展，垂直軸風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，加上中軸過長，造成設備嚴重偏載震動，影響設備的安全運行。
圖4.升力型垂直軸葉片攻角變化曲線圖
如果，葉片在旋轉過程中，在330°-360°范圍內，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，加上適當位置上的支點固定，使風機能夠沿中軸線穩(wěn)定運行就像旋轉的陀螺，即使我們用力抽拉，陀螺還能穩(wěn)定的旋轉，位移偏轉很小。避免偏振和諧振的作用，提高垂直軸風機的安全運行。
圖5.陀螺
水平軸風機也有振動問題，但是其穩(wěn)定的切向力避免了偏振效應，所以水平軸才能做得更大。如果垂直軸也能避免偏振效應，那么離大風機時代又進了一步。
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交流。
三、特殊捕風方式提高效率
獲得穩(wěn)定切向力（升力）垂直軸風電，風能利用率必然提高，但這些肯定不夠，只有使垂直軸風電風能利用率超過水平軸風電，達到貝茨極限，垂直軸風電技術才能算是成熟。當然，這個任重而道遠。
垂直軸風電風能利用率低，一直不被行業(yè)內人士認可。阻力型（平板式）風能利用率不超12%；風杯式不超7%；S型不超25%；升力型垂直軸也就在15-30%；而大型水平軸風電風能利用率卻在35-50%。
很多工程技術人員為了提高垂直軸風電風能利用率及升力型自啟能力，將兩種葉片結合在一起，并沒有避免各自葉片的受力缺陷；也有葉片變角的結構，這種結構在長時間運行過程中屬于易損件，尤其是40年以上服務，是不可取的結構。
圖6.升阻型垂直軸風電
如果垂直軸風電技術達到成熟，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疑，為此筆者做了很多相關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：（1）6m/s風速滿發(fā)； （2）5-7年回收全部投資； （3）40年以上的安全服務壽命等問題。
煤礦閉坑的那一天，一個裝機3MW垂直軸風電，在低風速區(qū)能獲得3000發(fā)電風時，服務年限40年，每戶每年1000度的電能消耗，能供應9000戶的能源需求，相當于一個社區(qū)或鄉(xiāng)鎮(zhèn)的電能需求。這時風電才能擔負起能源供應的重任。
大型垂直軸風電技術研究已經停滯了好幾年了，一項原創(chuàng)技術，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電的重視和垂直軸風電先驅者們的熱忱。
