12月14日，华能首台千瓦级极低温型垂直轴风电机组在南极中山站顺利发电。此次华能共在南极投入两台风机，中国第40次南极科考将对机组开展极地环境测试。
据悉，在中国极地研究中心指导下，华能清能院与太原理工大学、清华大学等单位组成产学研用联合攻关团队，共同开展极地环境下的“风-光-氢-储-荷”清洁能源微网研发。
此次在南极投入使用的两台垂直轴机组样机，是“华能方案”在南极科考站实现极地零碳能源利用的一次实地应用。该样机针对传统小型风电机组在南极地区极寒、大风气候条件下出力不足、可靠性低以及卡转等问题，自主研发了高效专属翼型和高可靠机组构型。同时，项目团队还瞄准冰雪地质条件下施工难度大、成本高和固定难的问题，研制了适用于冰雪地质条件的一体预制式基础，使得风电机组在覆雪冰面上“站得稳、立得牢”。
据了解，本次南极科考任务，将测试华能两台机组在极低温、极强风、强紫外线等严酷自然条件，以及极昼/夜等特殊环境下的可靠性和适用性；同时，也将为深入开展南极清洁能源利用提供现场实证支撑，为国际南极科考树立清洁能源利用的“中国方案”。根据测试情况，后续将持续推进南极清洁能源大规模利用，助力南极科考早日实现“零碳”目标。
此前报道，截至2023年10月24日，由国家能源集团联合动力自主研制的10千瓦极地小型风力发电机组在南极中山站安全运行已超613天，为南极科考站提供了经得起现场运行考验的风力发电设备。
该机组是国家能源集团联合动力与中国极地研究中心、国家海洋技术中心等单位合作，参与的国家重点研发计划“独立运行的微型可再生能源关键技术研究”项目成果。公司基于自身技术实力和经验积累，为应对极寒、极强风、低压低氧、强紫外线等严酷自然条件以及极昼/夜等特殊环境，通过对叶片、机舱、塔架等机械部件材料以及电气系统的优化设计，开展零下55摄氏度极端低温测试验证，研制了此款耐超低温小型风力发电机组，并通过被动侧尾偏航调速、失速控制、电磁和机械制动等方式，保证了机组的安全可靠运行；针对机组本身的自耗电、安装工程阶段的能耗、基础及安装形式等难点，创新安装方式，反复优化设计，为科考站量身打造了一套安全、稳定、便于维护的风电解决方案；服务“绿色考察”发展需求，预制重力式基础应用，降低极地现场施工难度和柴油发电排放，最大程度保护了南极地表结构，是环境友好型风电发展的又一突破。
项目还配套搭建了风光储多能互补的极区绿色供能系统，助力南极清洁能源利用技术发展。据测算，此款10千瓦极地小型风电机组年发电量达7万千瓦时，替代传统柴油发电用油量约7吨。
为啥是垂直轴的？
垂直轴风电机组，又称D型风电机组，由法国工程师G.J.M.Darrieus发明，其主要由可旋转的竖柄和固定在上的弧形叶片组成，当风力足够强时，弧形叶片带动竖柄连接的发电机转动，从而将风能转换为清洁电能。
相比水平轴风电机组，D型风电机组具有明显的优势：
第一，D型风电机组可有效利用多个风向下的风力，而水平轴风电机组往往需正对风向，才能提高风能利用率；
第二，D型风电机组的弧形叶片在高速旋转时，其所受张力较小，可适应恶劣天气；
此后，人们改进D型风电机组的弧形叶片，陆续发展出H型风电机组、S型风电机组、螺旋型风电机组如下：
H型风电机组
S型风电机组
螺旋型风电机组
H型风电机组、S型风电机组、螺旋型风电机组都继承并发扬了D型风电机组的优点。此外，它们的尺寸小、转速低，因而工作噪声小且抗鸟害，可灵活的安装在人口密集区，甚至与高层建筑物融为一体。例如，下图中的螺旋型风电机组就很好的整合在埃菲尔铁塔内。
埃菲尔铁塔内的螺旋型风电机组
此外，有两类垂直轴风电机组结合的实用案例，如D型与S型风电机组的叶片共用旋转竖柄，产生D-S型风电机组，如下图所示：
台湾地区的D-S型风电机组
目前，垂直轴风电机组实际风能利用率可达0.4左右，与水平轴风电机组相当。下表所示为以上四类垂直轴风电机组的典型参数：
至此，我们总结垂直轴风电机组相比水平轴风电机组的主要优势：
第一，维修保养成本低。垂直轴风电机组的叶片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向一致，疲劳寿命要长于水平轴风电机组的叶片疲劳寿命。垂直轴风电机组构造紧凑，活动部件少于水平轴风电机组，可靠性更好。垂直轴风电机组的发电机可放置在叶片下方或地面上，便于维护。
第二，风能利用率较高。相比于水平轴风电机组，垂直轴风电机组的启动风速更低，且能利用多风向的风力，理论风能利用率可达0.4左右。
第三，对环境友好。应用于城镇等人口密集地区的风力发电设备，对噪声和外观都有较高的要求。垂直轴风电机组的低噪声和美观外形等多种优点是水平轴风电机组难以比拟的，其叶尖速比远小于水平轴风电机组的叶尖速比，产生的气动噪声较小，甚至可以达到静音效果。
