為突破單機容量的掣肘，相對于目前占據(jù)市場絕對主流地位的水平軸風(fēng)力發(fā)電機，業(yè)內(nèi)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究開始不斷深入，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機將是改寫能源產(chǎn)業(yè)格局的神奇技術(shù)。

                          垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機改寫能源產(chǎn)業(yè)格局　　
　　“一旦垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電技術(shù)大規(guī)模商用，風(fēng)力發(fā)電成本將大大降低，甚至低于火電和核電，風(fēng)力發(fā)電行業(yè)也就不再需要政府補貼了。”該技術(shù)專利的持有人、昆山悅利電氣有限公司劉杭先信心滿滿，“如果一切順利，在垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電技術(shù)巨大的規(guī)模和成本優(yōu)勢面前，若干年后核電站也將陸續(xù)被拆除。”

　　有望解決單機容量掣肘

　　作為繼煤電和水電之后的中國第三大主力電源，風(fēng)力發(fā)電近年來在我國的迅猛發(fā)展有目共睹。數(shù)據(jù)顯示，2010年年底時，我國并網(wǎng)風(fēng)電就達到了4182.7萬千瓦，超過美國，居全球第一;截至2015年第三季度，我國已并網(wǎng)風(fēng)電10885萬千瓦，更是提前完成“十二五”裝機目標(biāo)。

　　“國家大力發(fā)展風(fēng)電的大政方針是非常明確的，關(guān)鍵看我們怎么才能更好地利用風(fēng)能。”劉杭先表示，“以更低的成本和更高的效率進行風(fēng)力發(fā)電，使其能夠與傳統(tǒng)的火力發(fā)電以及核能發(fā)電、水利發(fā)電競爭，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一個較好的方法就是盡量增加單機容量，因為從單位發(fā)電功率的占地面積、風(fēng)能利用率、運維成本等考慮，大型風(fēng)力發(fā)電機比小型風(fēng)力發(fā)電機更有優(yōu)勢。”

　　但是，隨著功率的增大，風(fēng)葉片的掃風(fēng)面積、葉片長度就要增大，葉尖速度也要增大。以西門子暢銷機型SWT-3.6-120為例，其額定轉(zhuǎn)速為13r/min，掃風(fēng)直徑120m，葉尖速度已經(jīng)高達245千米/小時。劉杭先表示，更大的功率意味著更長的葉片，但是葉片受到的慣性力和自身重力的交變載荷帶來的機械疲勞限制了其長度，同時更大的直徑意味著更高的塔架，這也帶來了安裝與維護的困難。因此，以目前的材料及施工能力，水平軸風(fēng)力發(fā)電機的單機功率提升難度越來越大。

　　國內(nèi)風(fēng)電新增裝機情況也佐證了這一觀點。近年來，國內(nèi)風(fēng)電新增裝機一直以1.5兆瓦和2兆瓦機型為主，盡管前者占比持續(xù)下降，后者持續(xù)上升，但是更大功率的2.5兆瓦和3兆瓦機型的市場份額卻一直停滯不前。

　　為突破單機容量的掣肘，相對于目前占據(jù)市場絕對主流地位的水平軸風(fēng)力發(fā)電機，業(yè)內(nèi)對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的研究開始不斷深入。

　　一方面，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機一般不需要很高的塔架，大功率機型可以直接安裝在地面上;另一方面，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的葉片與旋轉(zhuǎn)平面垂直，轉(zhuǎn)速也較低。所以，從工程角度來看，這些特點使得垂直軸風(fēng)電可以達到很高的單機功率。但目前兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機幾乎都是水平軸，垂直軸反而主要用于離網(wǎng)獨立式小風(fēng)機。劉杭先分析道，這主要是因為在同樣功率下，垂直軸風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速低于水平軸風(fēng)力機，轉(zhuǎn)矩高于水平軸風(fēng)力機，而轉(zhuǎn)矩的提高使得發(fā)電機的成本急劇上升，特別是對于兆瓦級的風(fēng)力發(fā)電。換句話說，垂直軸風(fēng)力機的取電要比水平軸風(fēng)力機困難。

　　“而垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電技術(shù)一舉解決了目前垂直軸風(fēng)力發(fā)電面臨的一系列問題，不僅讓垂直軸風(fēng)力發(fā)電單機容量有望超越三峽水電站單機容量，更將帶來成本方面的極大降低，甚至將改寫能源產(chǎn)業(yè)目前的格局。”劉杭先說。

　　將兩項成熟技術(shù)合并升華

　　那么，這種有望“改寫能源產(chǎn)業(yè)格局”的神奇技術(shù)是基于何種原理?

　　“這種垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機組雖然以前沒有，稱得上是風(fēng)電領(lǐng)域的一項重大創(chuàng)新，但其技術(shù)來源卻是長期應(yīng)用的工業(yè)化成熟技術(shù)，是對成熟技術(shù)的集成創(chuàng)新。早在1300多年前，中國古人已經(jīng)做出垂直軸風(fēng)帆風(fēng)能動力車;隨著火車客車照明的應(yīng)用，列車用輪轂發(fā)電機也有了100多年的歷史，今天廣泛使用的電力機車、輕軌、動車、高鐵都是這項技術(shù)的延伸和發(fā)展。”劉杭先說，“所以說，輪轂風(fēng)力發(fā)電技術(shù)本身并不神奇，它就是這兩項成熟技術(shù)的集成與升華。”

　　據(jù)介紹，該技術(shù)的核心是利用輪轂直接對大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的線速度進行取電。通常垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組總是通過位于圓心位置的發(fā)電機進行取電，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速就是風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速。一般來說，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同樣功率等級的水平軸風(fēng)力發(fā)電機的一半以下，因此同等功率下，前者的發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩將高于后者，這就意味著垂直軸風(fēng)力發(fā)電機的取電成本將居高不下。但實際上，即使在很低的轉(zhuǎn)速下，大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組的線速度依然較快，可達到每小時幾十公里至幾百公里。因此，如果采用輪轂發(fā)電機直接對垂直軸風(fēng)力機組的圓周速度進行取電，就可以把發(fā)電機的體積設(shè)計得較小，以有效降低發(fā)電機成本。同時，由于可配置的發(fā)電機數(shù)量較多，隨著切入風(fēng)速的變化，還可以選擇部分或者全部的輪轂發(fā)電機進行發(fā)電，提高方案的靈活性與可靠性。

　　劉杭先進一步說明道，首先，垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機組是利用圓周的線速度來發(fā)電，與水平軸風(fēng)力發(fā)電機相比省去了中心高大的鐵塔。其葉片速度和風(fēng)能的利用速度一樣，按年平均速度11米/秒計算，垂直軸發(fā)電機葉片尖速度為每小時40公里。按照同等風(fēng)速計算，水平軸Vestasv164-8MW的葉片尖速度已達308公里。而低速的葉片更有價格優(yōu)勢。

　　其次，因為采用輪轂發(fā)電，可以把功率分布在多個小型發(fā)電機上，可以使發(fā)電機的設(shè)計和制造成本降低、靈活性提升(50千瓦發(fā)電機單價不超過1萬元，推算出1兆瓦發(fā)電機總價不超過20萬元)。正因為電機便宜，還可以增加電機數(shù)量以增加大風(fēng)時的制動能力，根據(jù)風(fēng)能變化調(diào)整電機數(shù)量，從而使得風(fēng)電機組的成本進一步降低。

　　欲邁出產(chǎn)業(yè)化步伐

　　“不僅僅是成本大大降低，”劉杭先強調(diào)，“垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組單機容量做大也變得很容易。和目前的水平軸技術(shù)相比，計算其容量增加帶來的成本增加，用的是加法而不是乘法。”

　　對于該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，劉杭先充滿信心。“實際上，我們一開始雖然成功申請了專利，但是心里也確實不踏實，不知道是不是應(yīng)該投入資金繼續(xù)做下去，所以去年年底邀請了來自中國風(fēng)能協(xié)會、中國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會、中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會、華銳風(fēng)電、北京鑒衡認(rèn)證中心的專家對垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機組項目進行了評審。”劉杭先告訴記者，“專家充分肯定了這一構(gòu)想的創(chuàng)新性，并建議要盡快通過仿真分析、原理樣機等方式獲取整機系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在驗證可行性、安全性等問題的基礎(chǔ)上，加快產(chǎn)業(yè)化步伐。”

　　“專家指明了方向，我們更有了做下去的信心，下一步將盡快進入仿真分析階段。”劉杭先說，“設(shè)計出適合垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機的葉片是完成商業(yè)樣機的關(guān)鍵，而提高效率擴大單機容量的關(guān)鍵也在葉片。”

　　按照劉杭先的設(shè)想，如果進展順利，垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機組第一年將建成兆瓦級，第二年建成萬千瓦級，第三年建成十萬千瓦級。“世界最大的三峽水電站單機容量為70萬千瓦，這樣垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機組就可以向水電單機容量挑戰(zhàn)了。我國沿海地區(qū)無人荒島的利用空間很大，完全可以建設(shè)環(huán)島風(fēng)力發(fā)電機組，再配合高位儲能電站，供電穩(wěn)定性將可以和火電站媲美。”劉杭先說。