為突破單機(jī)容量的掣肘，相對(duì)于目前占據(jù)市場(chǎng)絕對(duì)主流地位的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)，業(yè)內(nèi)對(duì)垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的研究開始不斷深入，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)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(bǔ)貼了?！痹摷夹g(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(shì)面前，若干年后核電站也將陸續(xù)被拆除?！?/span>

　　有望解決單機(jī)容量掣肘

　　作為繼煤電和水電之后的中國(guó)第三大主力電源，風(fēng)力發(fā)電近年來(lái)在我國(guó)的迅猛發(fā)展有目共睹。數(shù)據(jù)顯示，2010年年底時(shí)，我國(guó)并網(wǎng)風(fēng)電就達(dá)到了4182.7萬(wàn)千瓦，超過(guò)美國(guó)，居全球第一;截至2015年第三季度，我國(guó)已并網(wǎng)風(fēng)電10885萬(wàn)千瓦，更是提前完成“十二五”裝機(jī)目標(biāo)。

　　“國(guó)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?cè)趺床拍芨玫乩蔑L(fēng)能?！眲⒑枷缺硎荆耙愿偷某杀竞透叩男蔬M(jìn)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(jìng)爭(zhēng)，業(yè)內(nèi)公認(rèn)的一個(gè)較好的方法就是盡量增加單機(jī)容量，因?yàn)閺膯挝话l(fā)電功率的占地面積、風(fēng)能利用率、運(yùn)維成本等考慮，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)比小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)更有優(yōu)勢(shì)?！?/span>

　　但是，隨著功率的增大，風(fēng)葉片的掃風(fēng)面積、葉片長(zhǎng)度就要增大，葉尖速度也要增大。以西門子暢銷機(jī)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(dá)245千米/小時(shí)。劉杭先表示，更大的功率意味著更長(zhǎng)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(lái)的機(jī)械疲勞限制了其長(zhǎng)度，同時(shí)更大的直徑意味著更高的塔架，這也帶來(lái)了安裝與維護(hù)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(jī)的單機(jī)功率提升難度越來(lái)越大。

　　國(guó)內(nèi)風(fēng)電新增裝機(jī)情況也佐證了這一觀點(diǎn)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)風(fēng)電新增裝機(jī)一直以1.5兆瓦和2兆瓦機(jī)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(jī)型的市場(chǎng)份額卻一直停滯不前。

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

　　一方面，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般不需要很高的塔架，大功率機(jī)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(jī)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(lái)看，這些特點(diǎn)使得垂直軸風(fēng)電可以達(dá)到很高的單機(jī)功率。但目前兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)幾乎都是水平軸，垂直軸反而主要用于離網(wǎng)獨(dú)立式小風(fēng)機(jī)。劉杭先分析道，這主要是因?yàn)樵谕瑯庸β氏?，垂直軸風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速低于水平軸風(fēng)力機(jī)，轉(zhuǎn)矩高于水平軸風(fēng)力機(jī)，而轉(zhuǎn)矩的提高使得發(fā)電機(jī)的成本急劇上升，特別是對(duì)于兆瓦級(jí)的風(fēng)力發(fā)電。換句話說(shuō)，垂直軸風(fēng)力機(jī)的取電要比水平軸風(fēng)力機(jī)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(wèn)題，不僅讓垂直軸風(fēng)力發(fā)電單機(jī)容量有望超越三峽水電站單機(jī)容量，更將帶來(lái)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(shuō)。

　　將兩項(xiàng)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(jī)組雖然以前沒有，稱得上是風(fēng)電領(lǐng)域的一項(xiàng)重大創(chuàng)新，但其技術(shù)來(lái)源卻是長(zhǎng)期應(yīng)用的工業(yè)化成熟技術(shù)，是對(duì)成熟技術(shù)的集成創(chuàng)新。早在1300多年前，中國(guó)古人已經(jīng)做出垂直軸風(fēng)帆風(fēng)能動(dòng)力車;隨著火車客車照明的應(yīng)用，列車用輪轂發(fā)電機(jī)也有了100多年的歷史，今天廣泛使用的電力機(jī)車、輕軌、動(dòng)車、高鐵都是這項(xiàng)技術(shù)的延伸和發(fā)展?！眲⒑枷日f(shuō)，“所以說(shuō)，輪轂風(fēng)力發(fā)電技術(shù)本身并不神奇，它就是這兩項(xiàng)成熟技術(shù)的集成與升華?！?/span>

　　據(jù)介紹，該技術(shù)的核心是利用輪轂直接對(duì)大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的線速度進(jìn)行取電。通常垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組總是通過(guò)位于圓心位置的發(fā)電機(jī)進(jìn)行取電，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速就是風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速。一般來(lái)說(shuō)，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為同樣功率等級(jí)的水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的一半以下，因此同等功率下，前者的發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩將高于后者，這就意味著垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的取電成本將居高不下。但實(shí)際上，即使在很低的轉(zhuǎn)速下，大型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的線速度依然較快，可達(dá)到每小時(shí)幾十公里至幾百公里。因此，如果采用輪轂發(fā)電機(jī)直接對(duì)垂直軸風(fēng)力機(jī)組的圓周速度進(jìn)行取電，就可以把發(fā)電機(jī)的體積設(shè)計(jì)得較小，以有效降低發(fā)電機(jī)成本。同時(shí)，由于可配置的發(fā)電機(jī)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(jī)進(jìn)行發(fā)電，提高方案的靈活性與可靠性。

　　劉杭先進(jìn)一步說(shuō)明道，首先，垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是利用圓周的線速度來(lái)發(fā)電，與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)算，垂直軸發(fā)電機(jī)葉片尖速度為每小時(shí)40公里。按照同等風(fēng)速計(jì)算，水平軸Vestasv164-8MW的葉片尖速度已達(dá)308公里。而低速的葉片更有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

　　其次，因?yàn)椴捎幂嗇灠l(fā)電，可以把功率分布在多個(gè)小型發(fā)電機(jī)上，可以使發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造成本降低、靈活性提升(50千瓦發(fā)電機(jī)單價(jià)不超過(guò)1萬(wàn)元，推算出1兆瓦發(fā)電機(jī)總價(jià)不超過(guò)20萬(wàn)元)。正因?yàn)殡姍C(jī)便宜，還可以增加電機(jī)數(shù)量以增加大風(fēng)時(shí)的制動(dòng)能力，根據(jù)風(fēng)能變化調(diào)整電機(jī)數(shù)量，從而使得風(fēng)電機(jī)組的成本進(jìn)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(qiáng)調(diào)，“垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量做大也變得很容易。和目前的水平軸技術(shù)相比，計(jì)算其容量增加帶來(lái)的成本增加，用的是加法而不是乘法。”

　　對(duì)于該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，劉杭先充滿信心?！皩?shí)際上，我們一開始雖然成功申請(qǐng)了專利，但是心里也確實(shí)不踏實(shí)，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(qǐng)了來(lái)自中國(guó)風(fēng)能協(xié)會(huì)、中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)能設(shè)備分會(huì)、華銳風(fēng)電、北京鑒衡認(rèn)證中心的專家對(duì)垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目進(jìn)行了評(píng)審?！眲⒑枷雀嬖V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(guò)仿真分析、原理樣機(jī)等方式獲取整機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在驗(yàn)證可行性、安全性等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，加快產(chǎn)業(yè)化步伐?！?/span>

　　“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(jìn)入仿真分析階段?！眲⒑枷日f(shuō)，“設(shè)計(jì)出適合垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片是完成商業(yè)樣機(jī)的關(guān)鍵，而提高效率擴(kuò)大單機(jī)容量的關(guān)鍵也在葉片?！?/span>

　　按照劉杭先的設(shè)想，如果進(jìn)展順利，垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機(jī)組第一年將建成兆瓦級(jí)，第二年建成萬(wàn)千瓦級(jí)，第三年建成十萬(wàn)千瓦級(jí)?！笆澜缱畲蟮娜龒{水電站單機(jī)容量為70萬(wàn)千瓦，這樣垂直軸輪轂風(fēng)力發(fā)電機(jī)組就可以向水電單機(jī)容量挑戰(zhàn)了。我國(guó)沿海地區(qū)無(wú)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(jī)組，再配合高位儲(chǔ)能電站，供電穩(wěn)定性將可以和火電站媲美。”劉杭先說(shuō)。