国家能源局在4月22日下发通知，将对火电机组强制实行非水可再生能源的配额考核机制。此消息一出，貌似风电的又一重大“利好消息”。但是“利好消息”的背后却是更多的无奈。笔者所在的地区担负着全省60%的煤炭生产量，而这些煤矿绝大部分的服务年限在15年左右。当资源枯竭的煤矿井架和遗弃的风电塔筒同时矗立在一起时，不知道这是一种什么样的凄惨场景？
图1.煤矿井架
图2.废弃的风电塔筒
现在是传统能源向新能源过渡的阶段。一方面是面临枯竭的传统能源，一方面是无法肩负能源供应的风电。在一些电力消纳区，低于2000小时的平均发电风时，传统能源并齐的上网电价，在没有政府其他补贴的情况下，风电场几乎是建一个，一个在负利运营。
面对这样的问题，是不是要重新审视当前的风电技术。欧洲风能发展公司执行总监Steven Peace指出：“在不久的将来，水平轴风电机组的发展或许达到顶峰，风电设备市场的未来应在于垂直轴风电机组”。那么垂直轴风电技术革新能否给能源行业带来惊喜吗？
一、垂直轴风电的经验
2005年，行业投入力量从国外学习垂直轴机组技术。2008年-2012年，国内多家企业先后投入样机的研究阶段。三峡办、上海举风、福禄公司先后投入了垂直轴Φ型样机试验；香港和合、深圳风发、国能风电投入了垂直轴H型样机试验。
图3.垂直轴Φ型风电场
说是研究，实际上就是对国外技术的模仿、复制阶段。在结构、材料、加工工艺上没有核心突破，从千瓦级就贸然进入兆瓦级，结果很明显，基本都重复国外的结果。
这段时间的教训，导致垂直轴风电技术的停滞不前，使很多人认定垂直轴风电就不适合大型化，令人欣慰的是Sandia实验室2012年重启了垂直轴风力发电机的研究。
这个时期探索给垂直轴风电发展留下了宝贵的技术经验，在叶片强度、支撑结构等问题上都有进展，垂直轴风电的大型化必须克服振动、效率、制动和控制四大问题。下面，对克服震动、效率两大问题简要探讨。
二、稳定的切向力克服振动问题
升力型垂直叶片在旋转过程中，叶片攻角成正弦曲线运动。变化的攻角使的叶片受力明显倾向一侧，加上中轴过长，造成设备严重偏载震动，影响设备的安全运行。
图4.升力型垂直轴叶片攻角变化曲线图
如果，叶片在旋转过程中，在330°-360°范围内，叶片的切向力（升力）方向始终和叶片圆周运动切线方向一致，加上适当位置上的支点固定，使风机能够沿中轴线稳定运行就像旋转的陀螺，即使我们用力抽拉，陀螺还能稳定的旋转，位移偏转很小。避免偏振和谐振的作用，提高垂直轴风机的安全运行。
图5.陀螺
水平轴风机也有振动问题，但是其稳定的切向力避免了偏振效应，所以水平轴才能做得更大。如果垂直轴也能避免偏振效应，那么离大风机时代又进了一步。
估计很多人会问怎么才能做到稳定的切向力。因为这次我们只做技术交流。
三、特殊捕风方式提高效率
获得稳定切向力（升力）垂直轴风电，风能利用率必然提高，但这些肯定不够，只有使垂直轴风电风能利用率超过水平轴风电，达到贝茨极限，垂直轴风电技术才能算是成熟。当然，这个任重而道远。
垂直轴风电风能利用率低，一直不被行业内人士认可。阻力型（平板式）风能利用率不超12%；风杯式不超7%；S型不超25%；升力型垂直轴也就在15-30%；而大型水平轴风电风能利用率却在35-50%。
很多工程技术人员为了提高垂直轴风电风能利用率及升力型自启能力，将两种叶片结合在一起，并没有避免各自叶片的受力缺陷；也有叶片变角的结构，这种结构在长时间运行过程中属于易损件，尤其是40年以上服务，是不可取的结构。
图6.升阻型垂直轴风电
如果垂直轴风电技术达到成熟，必须是特殊的固定翼型，既能获得阻力型的强劲力矩又能比升力型小的运行阻力。很多人会因此烧脑或质疑，为此笔者做了很多相关的实验来证明这个问题。
在后续的文章，将继续讨论非机械方式的风机制动、分散式远程集中控制、微观资本的参建以及三个指标：（1）6m/s风速满发； （2）5-7年回收全部投资； （3）40年以上的安全服务寿命等问题。
煤矿闭坑的那一天，一个装机3MW垂直轴风电，在低风速区能获得3000发电风时，服务年限40年，每户每年1000度的电能消耗，能供应9000户的能源需求，相当于一个社区或乡镇的电能需求。这时风电才能担负起能源供应的重任。
大型垂直轴风电技术研究已经停滞了好几年了，一项原创技术，不是一个人、一个公司和一所高校能完成的。希望通过这篇文章唤醒社会对垂直轴风电的重视和垂直轴风电先驱者们的热忱。
