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?
“這種垂直軸輪轂風力發(fā)電機組雖然以前沒有，稱得上是風電領(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)做出垂直軸風帆風能動力車;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力發(fā)電機組的線速度進行取電。通常垂直軸風力發(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)速就是風力機的轉(zhuǎn)速。一般來說，垂直軸風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為同樣功率等級的水平軸風力發(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，垂直軸輪轂風力發(fā)電機組是利用圓周的線速度來發(fā)電，與水平軸風力發(fā)電機相比省去了中心高大的鐵塔。其葉片速度和風能的利用速度一樣，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。按照同等風速計算，水平軸Vesta sv 164-8MW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)量以增加大風時的制動能力，根據(jù)風能變化調(diào)整電機數(shù)量，從而使得風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能協(xié)會、中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會、中國農(nóng)業(yè)機械工業(yè)協(xié)會風能設(shè)備分會、華銳風電、北京鑒衡認證中心的專家對垂直軸輪轂風力發(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。
