风力发电近年来在我国的迅猛发展有目共睹。为突破单机容量的掣肘，相对于目前占据市场绝对主流地位的水平轴风力发电机，业内对垂直轴风力发电机的研究开始不断深入。
风电技术改变能源格局 垂直轴轮毂解决产业掣肘
“一旦垂直轴轮毂风力发电技术大规模商用，风力发电成本将大大降低，甚至低于火电和核电，风力发电行业也就不再需要政府补贴了。”该技术专利的持有人、昆山悦利电气有限公司刘杭先信心满满，“如果一切顺利，在垂直轴轮毂风力发电技术巨大的规模和成本优势面前，若干年后核电站也将陆续被拆除。”
有望解决单机容量掣肘
作为继煤电和水电之后的中国第三大主力电源，风力发电近年来在我国的迅猛发展有目共睹。数据显示，2010年年底时，我国并网风电就达到了4182.7万千瓦，超过美国，居全球第一;截至2015年第三季度，我国已并网风电10885万千瓦，更是提前完成“十二五”装机目标。
“国家大力发展风电的大政方针是非常明确的，关键看我们怎么才能更好地利用风能。”刘杭先表示，“以更低的成本和更高的效率进行风力发电，使其能够与传统的火力发电以及核能发电、水利发电竞争，业内公认的一个较好的方法就是尽量增加单机容量，因为从单位发电功率的占地面积、风能利用率、运维成本等考虑，大型风力发电机比小型风力发电机更有优势。”
但是，随着功率的增大，风叶片的扫风面积、叶片长度就要增大，叶尖速度也要增大。以西门子畅销机型SWT-3.6-120为例，其额定转速为13r/min，扫风直径120m，叶尖速度已经高达245千米/小时。刘杭先表示，更大的功率意味着更长的叶片，但是叶片受到的惯性力和自身重力的交变载荷带来的机械疲劳限制了其长度，同时更大的直径意味着更高的塔架，这也带来了安装与维护的困难。因此，以目前的材料及施工能力，水平轴风力发电机的单机功率提升难度越来越大。
国内风电新增装机情况也佐证了这一观点。近年来，国内风电新增装机一直以1.5兆瓦和2兆瓦机型为主，尽管前者占比持续下降，后者持续上升，但是更大功率的2.5兆瓦和3兆瓦机型的市场份额却一直停滞不前。
为突破单机容量的掣肘，相对于目前占据市场绝对主流地位的水平轴风力发电机，业内对垂直轴风力发电机的研究开始不断深入。
一方面，垂直轴风力发电机一般不需要很高的塔架，大功率机型可以直接安装在地面上;另一方面，垂直轴风力发电机的叶片与旋转平面垂直，转速也较低。所以，从工程角度来看，这些特点使得垂直轴风电可以达到很高的单机功率。但目前兆瓦级风力发电机几乎都是水平轴，垂直轴反而主要用于离网独立式小风机。刘杭先分析道，这主要是因为在同样功率下，垂直轴风力机的转速低于水平轴风力机，转矩高于水平轴风力机，而转矩的提高使得发电机的成本急剧上升，特别是对于兆瓦级的风力发电。换句话说，垂直轴风力机的取电要比水平轴风力机困难。
“而垂直轴轮毂风力发电技术一举解决了目前垂直轴风力发电面临的一系列问题，不仅让垂直轴风力发电单机容量有望超越三峡水电站单机容量，更将带来成本方面的极大降低，甚至将改写能源产业目前的格局。”刘杭先说。
[pagebreak]将两项成熟技术合并升华
那么，这种有望“改写能源产业格局”的神奇技术是基于何种原理?
“这种垂直轴轮毂风力发电机组虽然以前没有，称得上是风电领域的一项重大创新，但其技术来源却是长期应用的工业化成熟技术，是对成熟技术的集成创新。早在1300多年前，中国古人已经做出垂直轴风帆风能动力车;随着火车客车照明的应用，列车用轮毂发电机也有了100多年的历史，今天广泛使用的电力机车、轻轨、动车、高铁都是这项技术的延伸和发展。”刘杭先说，“所以说，轮毂风力发电技术本身并不神奇，它就是这两项成熟技术的集成与升华。”
据介绍，该技术的核心是利用轮毂直接对大型垂直轴风力发电机组的线速度进行取电。通常垂直轴风力发电机组总是通过位于圆心位置的发电机进行取电，发电机的转速就是风力机的转速。一般来说，垂直轴风力发电机的转速为同样功率等级的水平轴风力发电机的一半以下，因此同等功率下，前者的发电机的转矩将高于后者，这就意味着垂直轴风力发电机的取电成本将居高不下。但实际上，即使在很低的转速下，大型垂直轴风力发电机组的线速度依然较快，可达到每小时几十公里至几百公里。因此，如果采用轮毂发电机直接对垂直轴风力机组的圆周速度进行取电，就可以把发电机的体积设计得较小，以有效降低发电机成本。同时，由于可配置的发电机数量较多，随着切入风速的变化，还可以选择部分或者全部的轮毂发电机进行发电，提高方案的灵活性与可靠性。
刘杭先进一步说明道，首先，垂直轴轮毂风力发电机组是利用圆周的线速度来发电，与水平轴风力发电机相比省去了中心高大的铁塔。其叶片速度和风能的利用速度一样，按年平均速度11米/秒计算，垂直轴发电机叶片尖速度为每小时40公里。按照同等风速计算，水平轴Vestasv164-8MW的叶片尖速度已达308公里。而低速的叶片更有价格优势。
其次，因为采用轮毂发电，可以把功率分布在多个小型发电机上，可以使发电机的设计和制造成本降低、灵活性提升(50千瓦发电机单价不超过1万元，推算出1兆瓦发电机总价不超过20万元)。正因为电机便宜，还可以增加电机数量以增加大风时的制动能力，根据风能变化调整电机数量，从而使得风电机组的成本进一步降低。
欲迈出产业化步伐
“不仅仅是成本大大降低，”刘杭先强调，“垂直轴风力发电机组单机容量做大也变得很容易。和目前的水平轴技术相比，计算其容量增加带来的成本增加，用的是加法而不是乘法。”
对于该技术的产业化，刘杭先充满信心。“实际上，我们一开始虽然成功申请了专利，但是心里也确实不踏实，不知道是不是应该投入资金继续做下去，所以去年年底邀请了来自中国风能协会、中国可再生能源学会风能专业委员会、中国农业机械工业协会风能设备分会、华锐风电、北京鉴衡认证中心的专家对垂直轴轮毂风力发电机组项目进行了评审。”刘杭先告诉记者，“专家充分肯定了这一构想的创新性，并建议要尽快通过仿真分析、原理样机等方式获取整机系统数据，在验证可行性、安全性等问题的基础上，加快产业化步伐。”
“专家指明了方向，我们更有了做下去的信心，下一步将尽快进入仿真分析阶段。”刘杭先说，“设计出适合垂直轴轮毂风力发电机的叶片是完成商业样机的关键，而提高效率扩大单机容量的关键也在叶片。”
按照刘杭先的设想，如果进展顺利，垂直轴轮毂风力发电机组第一年将建成兆瓦级，第二年建成万千瓦级，第三年建成十万千瓦级。“世界最大的三峡水电站单机容量为70万千瓦，这样垂直轴轮毂风力发电机组就可以向水电单机容量挑战了。我国沿海地区无人荒岛的利用空间很大，完全可以建设环岛风力发电机组，再配合高位储能电站，供电稳定性将可以和火电站媲美。”刘杭先说。
