改变方向为时未晚？

　　在这篇文章里，George Marsh 探讨了风能的未来趋势，以及垂直轴风力发电机（VAWTs）的广泛使用将如何影响增强塑料。
　　在加拿大工程师、企业家、Lux风电有限公司行政总裁Glen Lux看来，整个行业背后具有巨大的动力和投资，这或许是上错了轨道，需要重新调整。其他一些像他这样的人认为，风电能源行业正在错误的轴线上发展，其目前是水平方向的，应该改为垂直方向，并且广泛使用垂直轴风力发电机（VAWTs）。然而，意识到某些缺陷使上一代VAWTs颇受困扰，并且促使水平轴三叶片“丹麦模式”（Danish model）成为占主导地位的，Lux和他的合作伙伴们重新审视了垂直轴解决方案，并且开发了一种新的概念，甚至给美国航空航天局（NASA）都留下了深刻印象。
　　Lux的理念也不是眼前唯一的解决方案，因为欧洲的一些支持者打算通过把现代材料和工程与旧的垂直轴结合在一起的方法，来证明这样也能打破垂直轴的优势平衡。
　　潜在意义
　　任何大规模转而用VAWTs来开发利用实用风能的举动，都将对复合材料产生重大的影响。复合材料是构成转子叶片、机舱和现有机器其他部件的主要材料。而VAWT叶片通常可能更小，并且比现有叶片使用的材料更少，因此由于其间距更近，每台机器上可以有更多的VAWT叶片，并且每个风力发电厂可以安放更多的机器。新一代VAWT上的叶片转动支撑结构也可以使用复合材料，由轻质管状元件组成。这是另一种对可能减少的叶片吨位的补偿。
　　VAWT叶片从空气动力学上来说更简单些，没有横截面的逐步变化，也没有当今巨大的转子所需的物理性质（目前叶片长度高达85 米），以配合叶片各个区域不同的空气流条件。恒定不变的对称横截面和层叠铺层是比较容易制造的，无论是通过拉挤、模内灌注，还是预浸工艺，以及借助非手动制造方法，例如自动铺带装置。另一个能降低成本的可能就是避免使用为目前大的叶片提供非凡强度和较小重量组合的、昂贵的先进复合材料了，以及代价高昂的改进，如气动弹性调整、变形技巧和阵风减缓控制面等。
      
　　海上垂直轴风力发电场。
　　虽然这可能会使工程公司和高端材料供应商不悦，总的来说，应该利用现有能源让风能更具成本竞争力，以增强风能的前景。复合材料面临的一个更加重大的威胁或许就是金属开始进入风电叶片市场了。考虑到有人为一台公共事业规模的Lux机器的叶片提出了一种解决方案（见下文），就是使用线缆支撑钢框架，其剖面非常薄。为了应对这一威胁，复合材料利益者们必须做一些事情。
　　VAWTs是一个真正棘手的问题，因为这一概念在理论上非常有吸引力，在实际中具体实施起来却相当困难。其优势包括每次运行时由每个叶片的反向自重造成的影响水平轴旋转的疲劳在垂直轴机器上是不存在的。在大部分机器上，叶片是固定在两点上，而不是在转子中心上的单个点（就像水平轴风力发电机HAWT上的一样）。这就降低了弯曲和相关的疲劳。这种涡轮机组可以承受更大的风速而无需顺桨。因为涡轮机无法预知风向，所以转子不需要以机械的方式来迎着风。
　　一台垂直轴风力发电机可细分为便于运输管理的部件。叶片可以分区段进行制造，简化了生产，并能实现现场组装。简单的低成本制造工艺，如拉挤，可用于叶片的包覆，随后用结构泡沫或其他加强材料进行填充。这就避免了类似发生在大型HAWTs上的情况，也即生产大量的叶片翼梁和包覆膜，并把它们放在一起的这种复杂性。
      
　　一台6 兆瓦的垂直轴漂浮风力发电机（VAWT）概念，被称为自旋浮动，是由法国ASAH LM牵头的欧洲企业联盟推出的。
　　此外，在整机设计的阶段就已经进行了改进。早期的一个举措就是采用了三叶片组件，而不是两个叶片，还有叶片形状的改进，使发电机自启动和平滑运动，以及传递动力。叶片更轻了，且由复合材料制成，而不是金属，这就缓解了支撑结构的疲劳问题。
　　新颖性
　　即便如此，Glen Lux认为， 现有的设计仍然有太多的局限性，他决定再次参考VAWT 概念，解决VAWTs早在20世纪70年代到90年代就有的问题。Lux列举了转矩波动、振动和疲劳，以及低的功率输出和差的电力质量，这些问题在当时就困扰着双叶片和三叶片机器试验。此外，他断言当时这些机器的资金成本也太高了。
　　在美国拉斯维加斯的一场美国风能协会会议上，Lux做了演讲，他告诉与会代表，他对影响上一世纪VAWTs的问题表示感激，在近十年前已经沿着既定路线建造了双叶片和三叶片机。他初尝试通过把叶片增加到五个或更多的数量来舒缓其性能，但是这意味着每个叶片必须更窄（弦上），会削弱性能。他认为，对此的一种解决方法可能就是用线缆把叶片都联结到一起，从而使转子恢复强度和刚度。这就指向了Lux的唯一的、新颖的概念。如他所解释的，“我原来认为这些线缆必须水平放置，以尽量减小空气阻力，并因此失去动力。我继续建造了5、6和7叶片的转子，用线缆水平地把一个叶片连到另一个。这样就为转子提供了更大的稳定性，但是在大风的条件下这些叶片仍然动得很厉害，这不是我所希望的。”
　　“于是我利用了一个计算机模型，来看看如果我穿过水平线缆，使它们和叶片构成三角形，这样的话会发生什么。我从穹顶得到了这个灵感，穹顶是一种可以造得更大，但是使用的材料却非常少的结构。圆顶使用了自支撑三角形格局，使得它用少的材料获得了大的结构优势。”
　　Lux转子一端的形状就像一个骨骼状的橄榄球，叶片狭窄，并在顶部及底部轮毂处会聚和联结。后的结果类似于Darriues式VAWT，没有通常的核心结构。在他的计算机模型上试验之后，Glen Lux得出了他所寻找的结构结果所需要的线缆和三角形数量。电脑显示，即使在强的飓风下，叶片也只有少量的偏移。实际上，所得到的转子刚性很好，去除柱或塔楼（当时就有了）实际上降低了叶片上的压力。当然，这也会降低总体结构所需要的材料的成本。
　　为了寻求对于他的设计的外部意见，Lux接下来联系了加拿大渥太华的研究委员会，这是一个以前在VAWTs方面有过经验的组织。尤其是，它里面的某些人员曾在4兆瓦的机器上工作过，这台机器于1988年在魁北克省建造，并且仍是迄今为止生产的强大的VAWT。这个研究委员会（NRC）在Lux的设计的基础上，模拟了一个直径为40米的1兆瓦风力发电机。对于在不同速度下的输出功率的预测很令人鼓舞。
　　此外，模拟叶片压力，然后通过四个因素之一来增加所得的大值——一个保守的针对不可预见的影响和极端条件的加工余量——表明了叶片寿命是60多年。把应变仪测试的结果随后在符合计算机预测的样机叶片上进行操作，这说明预期寿命可能远远超过20世纪90年代的VAWTs。
　　而且，现在已经越来越清楚，20世纪晚期的设计所得的输出功率比较差，至少部分原因是规模的问题。名义上的Lux机器叶片制造得较长，从而增加了扫风面积和转子直径，使得涡轮在较低的风速下能够获得更大的功率，20世纪90年代的设计已经证明了这是所需的一种机制。虽然旋转速度降低了，但大功率保持不变。在Lux看来，以这种方式几乎使功率容量因子翻倍意味着，“当我把输出功率（我的设计）与具有相同额定功率的传统风力涡轮机相比较时，我的涡轮机通常会胜出，而在过去相反都是更小的机器胜出。”
　　Lux风电有限公司的设计已经获得了NASA 的技术概览奖（NASA Technical Brief Award），并且在可持续技术类别里是名。
　　成本
　　这一系统的成本取决于所使用的材料，很可能就是金属和复合材料的混合使用。
　　叶片可以是两者中的任何一种材料，尽管任意成型的需要暗示着挤出增强塑料更好。复合材料也更轻，能不断减少周期性振动和疲劳。该材料可以是公用级的玻璃/ 聚酯，或者玻璃/ 环氧树脂，这取决于叶片的尺寸和精确规格。
　　该系统需要大量的线缆，用来连接叶片，以及把涡轮机牵引固定在地下比较坚硬的点，也可以类似地混合，虽然指定的挤压碳纤维复合电缆可能具有一些优势。这些线缆成型为椭圆形，以尽量减少空气阻力，用于转子的交叉支撑。类似的技术在当今的高性能帆船的固定索具上也有应用。轮毂和轴承取决于特定涡轮机的大小和功率，但很可能是符合标准的技术。
　　在他的概念研究里，Lux建议把转子旋转速度增加到该系统发电机的一样，而不需要一个典型HAWT依赖的、复杂的多级齿轮箱。相反，他提出了一种钢材对钢材的摩擦驱动解决方案，在铁路上很常见，已经有150年了，其中火车头的功率有数千马力，可以有效地从钢制车轮传送到钢制铁轨，外加一个小型的机械上很简单的变速箱，来实现后阶段的传动。通过这一解决方案，显着节省了成本，避免了必须在塔楼上高高地安放变速箱和相关传动链这些事。
　　通过偏航转子进风和叶片间距控制的避免机制，进一步降低了成本。
　　除了顶部轮毂，所有近地面高度的主要机械部件都简化了正在进行的维护。不再需要专业人士在令人眩晕的高度工作，以接触到并修复这些部件。叶片的维护可能仍然需要绳索团队，至少在较大的Lux 配置机器上，但为现有的涡轮机转子开发的必要的现场维修技术和材料都是可用的。（一个很好的例子就是固瑞特公司的Renovo?修复系统，目前用于修复复合材料叶片的损坏，范围从修整到广泛的叠层中断。）从塔楼降下严重损坏的转子或叶片的需要将不再出现，因为Lux 垂直轴风力发电机的转子几乎已经是在地面上了。
　　Lux机器的运输也必将是比较简单的，因为使用了固定拉索来稳定系统，而不是一座有着牢固基础的塔楼，体积一点都不庞大，并且是用在相对紧凑的卷轴上。端部接头被装进箱子中运输，随时可以装配在现场的电线上。
　　因为涡轮整体都变得更大，功能更强大，所以VAWT的成本优势变得更加显着了。
　　现场6兆瓦以上额定功率的传统涡轮机成本呈指数上升（即使是12兆瓦的机器都被提出在海上使用），并随着功率的增加成为天文数字。Lux的成本也随尺寸和功耗增长，但不太明显，因为大部分的工程是在基础层面而不是在高塔上。运输和架设这些功率的常规HAWTS变得困难，但并非不可能，而固有的模块化Lux型VAWTs仍然可以使用。
　　新的Lux转子有6个均匀隔开的叶片，每一个都是弯曲的，这样就可以在顶部和底部把它们联结起来，形成一个垂直拉长的球体。一台1兆瓦的机器将有可与之相比的HAWT 总重量的三分之一，这主要是因为它不依赖于塔或柱。Lux宣称，这与沿着整个叶片长度使用相同的配置文件，以及简化的传动装置一起，使得成本大约只有类似功率的HAWT所需成本的一半。
　　采用直线式
　　与此同时，采用平直叶片的老式垂直轴风力发电机概念并没有消失。在英国，Eurowind发展有限公司——尽管目前在这一领域并不活跃——争辩说，将现代工程技术和材料用到“传统”直线叶片设计中去，同样可以提供有效和经济的解决方案。使用三叶片和改进叶片形状使涡轮机能够自启动，并且在风不大的条件下更有效。双轴承配置，叶片和支撑机构使用更轻的材料，缓解了振动和疲劳问题。支撑元素通常是通过拉挤或纤维缠绕管制成的复合材料。
      
　　新颖的Lux 垂直轴风力发电机概念。Lux 风电有限公司供图。
　　建议对某些陆上装置的塔楼问题采用一种新的解决方案，就是利用现有的工业烟囱或塔楼作为垂直轴机床的中心支撑。安装在烟囱/塔顶部和底部的轴承可以支撑旋转涡轮机。这就为现存地面以上强风条件下的现场涡轮机增加了额外的优势。Eurowind公司先进的VAWT设计还可以在海上操作，安装在任何一个钉入海床、或在浮动或半潜式浮力结构的桩柱上。
      
　　LUX 涡轮模型展示了固定拉索。Lux 风电有限公司供图。
　　海上优势
　　总部位于英国的VertAx风能有限公司席技术官、VAWT的倡导者、工程师Steven Peace认为垂直轴机器提供了一种持续增加涡轮输出水平的途径，同时也能抑制涡轮机制造、安装和维护的成本。这在深海环境中尤其可取，因为现有技术的费用可能会变得令人望而却步。
　　VertAx公司目前正在开发一个10兆瓦的海上机器，其转子直径140米，可驱动多台5千瓦的永磁发电机。这个机器将以桩柱的形式安装到海床上。通过设计一台模块化的、几乎没有移动部件的机器，VertAx及其技术合作伙伴们相信他们可以使海上风能发电的成本进一步减少。Peace与他的同事们争辩说，相比类似级别的HAWTs，10兆瓦水平左右及其以上的相对成本因素将使VAWTs具有明显的优势。
      
　　一个LUX 垂直轴风力发电场的概念图。Lux 风力发电有限公司供图。
　　英资财团研究出了另一个VAWT概念，2009年由能源技术研究所作为新型近海垂直轴（NOVA）项目提出。VAWT由于其较低的重心而固有的稳定性是近海应用的一个显着优点，而HAWT具有的高度优势（在一个更强、更平稳的气流里运行）在海上则不太明显。NOVA 的研究基础是一个拴系的浮动机器，因此不需要塔楼或桩来固定。每个机器都包括一个中心轮毂，该轮毂含有发电机组和一个轴承，轴承上带有一个大直径的“V”型转子。后者由两个叶片构成，垂直角度约30°，并安装在从轮毂大幅向上倾斜延伸的径向臂上。
　　他们对NOVA 初设想的是一个5兆瓦的机器，但设计研究后这个规模高达10兆瓦。详细的重新设计使得这一VAWT 实质上更轻了，至少不用通过碳纤维/环氧树脂复合材料来生产叶片以使叶片的重量减半。支撑叶片的悬臂本身就是半个翼型件，对照侵蚀性海洋环境下的强度、硬度和耐用性的话，也可以是复合材料。来自英国的公司风力发电有限公司（Wind Power Ltd）是该联盟的主要成员。据报道，该公司一直致力于一个50千瓦的样机演示，同时试图吸引投资，制造一个适合在海上部署的更大的机器。尽管其初的想法是沿着径向支撑臂的宽度安装几个叶片或翼板，风力发电有限公司在十年前就率先提出了风力发电机的概念。一台5千瓦的原型机就建成了。
      
　　Lux 风力发电有限公司供图。
　　有关近海VAWTs进一步的工作已经在法国和瑞典开展了。
　　基于广泛的VAWT研究和经验，美国桑迪亚实验室得出的结论是与HAWTS相比，立式机器在近海应用上具有显着的优势。既然在海上建立和部署HAWT的技术成本与额定功率的增长不成比例，可能是深水区的要求促使垂直轴的复苏快速重新开始了。在风中的确可以发生方向的变化。
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