改變方向為時未晚？

　　在這篇文章里，George Marsh 探討了風能的未來趨勢，以及垂直軸風力發電機（VAWTs）的廣泛使用將如何影響增強塑料。
　　在加拿大工程師、企業家、Lux風電有限公司行政總裁Glen Lux看來，整個行業背后具有巨大的動力和投資，這或許是上錯了軌道，需要重新調整。其他一些像他這樣的人認為，風電能源行業正在錯誤的軸線上發展，其目前是水平方向的，應該改為垂直方向，并且廣泛使用垂直軸風力發電機（VAWTs）。然而，意識到某些缺陷使上一代VAWTs頗受困擾，并且促使水平軸三葉片“丹麥模式”（Danish model）成為占主導地位的，Lux和他的合作伙伴們重新審視了垂直軸解決方案，并且開發了一種新的概念，甚至給美國航空航天局（NASA）都留下了深刻印象。
　　Lux的理念也不是眼前唯一的解決方案，因為歐洲的一些支持者打算通過把現代材料和工程與舊的垂直軸結合在一起的方法，來證明這樣也能打破垂直軸的優勢平衡。
　　潛在意義
　　任何大規模轉而用VAWTs來開發利用實用風能的舉動，都將對復合材料產生重大的影響。復合材料是構成轉子葉片、機艙和現有機器其他部件的主要材料。而VAWT葉片通?？赡芨?，并且比現有葉片使用的材料更少，因此由于其間距更近，每臺機器上可以有更多的VAWT葉片，并且每個風力發電廠可以安放更多的機器。新一代VAWT上的葉片轉動支撐結構也可以使用復合材料，由輕質管狀元件組成。這是另一種對可能減少的葉片噸位的補償。
　　VAWT葉片從空氣動力學上來說更簡單些，沒有橫截面的逐步變化，也沒有當今巨大的轉子所需的物理性質（目前葉片長度高達85 米），以配合葉片各個區域不同的空氣流條件。恒定不變的對稱橫截面和層疊鋪層是比較容易制造的，無論是通過拉擠、模內灌注，還是預浸工藝，以及借助非手動制造方法，例如自動鋪帶裝置。另一個能降低成本的可能就是避免使用為目前大的葉片提供非凡強度和較小重量組合的、昂貴的先進復合材料了，以及代價高昂的改進，如氣動彈性調整、變形技巧和陣風減緩控制面等。
      
　　海上垂直軸風力發電場。
　　雖然這可能會使工程公司和高端材料供應商不悅，總的來說，應該利用現有能源讓風能更具成本競爭力，以增強風能的前景。復合材料面臨的一個更加重大的威脅或許就是金屬開始進入風電葉片市場了?？紤]到有人為一臺公共事業規模的Lux機器的葉片提出了一種解決方案（見下文），就是使用線纜支撐鋼框架，其剖面非常薄。為了應對這一威脅，復合材料利益者們必須做一些事情。
　　VAWTs是一個真正棘手的問題，因為這一概念在理論上非常有吸引力，在實際中具體實施起來卻相當困難。其優勢包括每次運行時由每個葉片的反向自重造成的影響水平軸旋轉的疲勞在垂直軸機器上是不存在的。在大部分機器上，葉片是固定在兩點上，而不是在轉子中心上的單個點（就像水平軸風力發電機HAWT上的一樣）。這就降低了彎曲和相關的疲勞。這種渦輪機組可以承受更大的風速而無需順槳。因為渦輪機無法預知風向，所以轉子不需要以機械的方式來迎著風。
　　一臺垂直軸風力發電機可細分為便于運輸管理的部件。葉片可以分區段進行制造，簡化了生產，并能實現現場組裝。簡單的低成本制造工藝，如拉擠，可用于葉片的包覆，隨后用結構泡沫或其他加強材料進行填充。這就避免了類似發生在大型HAWTs上的情況，也即生產大量的葉片翼梁和包覆膜，并把它們放在一起的這種復雜性。
      
　　一臺6 兆瓦的垂直軸漂浮風力發電機（VAWT）概念，被稱為自旋浮動，是由法國ASAH LM牽頭的歐洲企業聯盟推出的。
　　此外，在整機設計的階段就已經進行了改進。早期的一個舉措就是采用了三葉片組件，而不是兩個葉片，還有葉片形狀的改進，使發電機自啟動和平滑運動，以及傳遞動力。葉片更輕了，且由復合材料制成，而不是金屬，這就緩解了支撐結構的疲勞問題。
　　新穎性
　　即便如此，Glen Lux認為， 現有的設計仍然有太多的局限性，他決定再次參考VAWT 概念，解決VAWTs早在20世紀70年代到90年代就有的問題。Lux列舉了轉矩波動、振動和疲勞，以及低的功率輸出和差的電力質量，這些問題在當時就困擾著雙葉片和三葉片機器試驗。此外，他斷言當時這些機器的資金成本也太高了。
　　在美國拉斯維加斯的一場美國風能協會會議上，Lux做了演講，他告訴與會代表，他對影響上一世紀VAWTs的問題表示感激，在近十年前已經沿著既定路線建造了雙葉片和三葉片機。他初嘗試通過把葉片增加到五個或更多的數量來舒緩其性能，但是這意味著每個葉片必須更窄（弦上），會削弱性能。他認為，對此的一種解決方法可能就是用線纜把葉片都聯結到一起，從而使轉子恢復強度和剛度。這就指向了Lux的唯一的、新穎的概念。如他所解釋的，“我原來認為這些線纜必須水平放置，以盡量減小空氣阻力，并因此失去動力。我繼續建造了5、6和7葉片的轉子，用線纜水平地把一個葉片連到另一個。這樣就為轉子提供了更大的穩定性，但是在大風的條件下這些葉片仍然動得很厲害，這不是我所希望的。”
　　“于是我利用了一個計算機模型，來看看如果我穿過水平線纜，使它們和葉片構成三角形，這樣的話會發生什么。我從穹頂得到了這個靈感，穹頂是一種可以造得更大，但是使用的材料卻非常少的結構。圓頂使用了自支撐三角形格局，使得它用少的材料獲得了大的結構優勢。”
　　Lux轉子一端的形狀就像一個骨骼狀的橄欖球，葉片狹窄，并在頂部及底部輪轂處會聚和聯結。后的結果類似于Darriues式VAWT，沒有通常的核心結構。在他的計算機模型上試驗之后，Glen Lux得出了他所尋找的結構結果所需要的線纜和三角形數量。電腦顯示，即使在強的颶風下，葉片也只有少量的偏移。實際上，所得到的轉子剛性很好，去除柱或塔樓（當時就有了）實際上降低了葉片上的壓力。當然，這也會降低總體結構所需要的材料的成本。
　　為了尋求對于他的設計的外部意見，Lux接下來聯系了加拿大渥太華的研究委員會，這是一個以前在VAWTs方面有過經驗的組織。尤其是，它里面的某些人員曾在4兆瓦的機器上工作過，這臺機器于1988年在魁北克省建造，并且仍是迄今為止生產的強大的VAWT。這個研究委員會（NRC）在Lux的設計的基礎上，模擬了一個直徑為40米的1兆瓦風力發電機。對于在不同速度下的輸出功率的預測很令人鼓舞。
　　此外，模擬葉片壓力，然后通過四個因素之一來增加所得的大值——一個保守的針對不可預見的影響和極端條件的加工余量——表明了葉片壽命是60多年。把應變儀測試的結果隨后在符合計算機預測的樣機葉片上進行操作，這說明預期壽命可能遠遠超過20世紀90年代的VAWTs。
　　而且，現在已經越來越清楚，20世紀晚期的設計所得的輸出功率比較差，至少部分原因是規模的問題。名義上的Lux機器葉片制造得較長，從而增加了掃風面積和轉子直徑，使得渦輪在較低的風速下能夠獲得更大的功率，20世紀90年代的設計已經證明了這是所需的一種機制。雖然旋轉速度降低了，但大功率保持不變。在Lux看來，以這種方式幾乎使功率容量因子翻倍意味著，“當我把輸出功率（我的設計）與具有相同額定功率的傳統風力渦輪機相比較時，我的渦輪機通常會勝出，而在過去相反都是更小的機器勝出。”
　　Lux風電有限公司的設計已經獲得了NASA 的技術概覽獎（NASA Technical Brief Award），并且在可持續技術類別里是名。
　　成本
　　這一系統的成本取決于所使用的材料，很可能就是金屬和復合材料的混合使用。
　　葉片可以是兩者中的任何一種材料，盡管任意成型的需要暗示著擠出增強塑料更好。復合材料也更輕，能不斷減少周期性振動和疲勞。該材料可以是公用級的玻璃/ 聚酯，或者玻璃/ 環氧樹脂，這取決于葉片的尺寸和精確規格。
　　該系統需要大量的線纜，用來連接葉片，以及把渦輪機牽引固定在地下比較堅硬的點，也可以類似地混合，雖然指定的擠壓碳纖維復合電纜可能具有一些優勢。這些線纜成型為橢圓形，以盡量減少空氣阻力，用于轉子的交叉支撐。類似的技術在當今的高性能帆船的固定索具上也有應用。輪轂和軸承取決于特定渦輪機的大小和功率，但很可能是符合標準的技術。
　　在他的概念研究里，Lux建議把轉子旋轉速度增加到該系統發電機的一樣，而不需要一個典型HAWT依賴的、復雜的多級齒輪箱。相反，他提出了一種鋼材對鋼材的摩擦驅動解決方案，在鐵路上很常見，已經有150年了，其中火車頭的功率有數千馬力，可以有效地從鋼制車輪傳送到鋼制鐵軌，外加一個小型的機械上很簡單的變速箱，來實現后階段的傳動。通過這一解決方案，顯著節省了成本，避免了必須在塔樓上高高地安放變速箱和相關傳動鏈這些事。
　　通過偏航轉子進風和葉片間距控制的避免機制，進一步降低了成本。
　　除了頂部輪轂，所有近地面高度的主要機械部件都簡化了正在進行的維護。不再需要專業人士在令人眩暈的高度工作，以接觸到并修復這些部件。葉片的維護可能仍然需要繩索團隊，至少在較大的Lux 配置機器上，但為現有的渦輪機轉子開發的必要的現場維修技術和材料都是可用的。（一個很好的例子就是固瑞特公司的Renovo?修復系統，目前用于修復復合材料葉片的損壞，范圍從修整到廣泛的疊層中斷。）從塔樓降下嚴重損壞的轉子或葉片的需要將不再出現，因為Lux 垂直軸風力發電機的轉子幾乎已經是在地面上了。
　　Lux機器的運輸也必將是比較簡單的，因為使用了固定拉索來穩定系統，而不是一座有著牢固基礎的塔樓，體積一點都不龐大，并且是用在相對緊湊的卷軸上。端部接頭被裝進箱子中運輸，隨時可以裝配在現場的電線上。
　　因為渦輪整體都變得更大，功能更強大，所以VAWT的成本優勢變得更加顯著了。
　　現場6兆瓦以上額定功率的傳統渦輪機成本呈指數上升（即使是12兆瓦的機器都被提出在海上使用），并隨著功率的增加成為天文數字。Lux的成本也隨尺寸和功耗增長，但不太明顯，因為大部分的工程是在基礎層面而不是在高塔上。運輸和架設這些功率的常規HAWTS變得困難，但并非不可能，而固有的模塊化Lux型VAWTs仍然可以使用。
　　新的Lux轉子有6個均勻隔開的葉片，每一個都是彎曲的，這樣就可以在頂部和底部把它們聯結起來，形成一個垂直拉長的球體。一臺1兆瓦的機器將有可與之相比的HAWT 總重量的三分之一，這主要是因為它不依賴于塔或柱。Lux宣稱，這與沿著整個葉片長度使用相同的配置文件，以及簡化的傳動裝置一起，使得成本大約只有類似功率的HAWT所需成本的一半。
　　采用直線式
　　與此同時，采用平直葉片的老式垂直軸風力發電機概念并沒有消失。在英國，Eurowind發展有限公司——盡管目前在這一領域并不活躍——爭辯說，將現代工程技術和材料用到“傳統”直線葉片設計中去，同樣可以提供有效和經濟的解決方案。使用三葉片和改進葉片形狀使渦輪機能夠自啟動，并且在風不大的條件下更有效。雙軸承配置，葉片和支撐機構使用更輕的材料，緩解了振動和疲勞問題。支撐元素通常是通過拉擠或纖維纏繞管制成的復合材料。
      
　　新穎的Lux 垂直軸風力發電機概念。Lux 風電有限公司供圖。
　　建議對某些陸上裝置的塔樓問題采用一種新的解決方案，就是利用現有的工業煙囪或塔樓作為垂直軸機床的中心支撐。安裝在煙囪/塔頂部和底部的軸承可以支撐旋轉渦輪機。這就為現存地面以上強風條件下的現場渦輪機增加了額外的優勢。Eurowind公司先進的VAWT設計還可以在海上操作，安裝在任何一個釘入海床、或在浮動或半潛式浮力結構的樁柱上。
      
　　LUX 渦輪模型展示了固定拉索。Lux 風電有限公司供圖。
　　海上優勢
　　總部位于英國的VertAx風能有限公司席技術官、VAWT的倡導者、工程師Steven Peace認為垂直軸機器提供了一種持續增加渦輪輸出水平的途徑，同時也能抑制渦輪機制造、安裝和維護的成本。這在深海環境中尤其可取，因為現有技術的費用可能會變得令人望而卻步。
　　VertAx公司目前正在開發一個10兆瓦的海上機器，其轉子直徑140米，可驅動多臺5千瓦的永磁發電機。這個機器將以樁柱的形式安裝到海床上。通過設計一臺模塊化的、幾乎沒有移動部件的機器，VertAx及其技術合作伙伴們相信他們可以使海上風能發電的成本進一步減少。Peace與他的同事們爭辯說，相比類似級別的HAWTs，10兆瓦水平左右及其以上的相對成本因素將使VAWTs具有明顯的優勢。
      
　　一個LUX 垂直軸風力發電場的概念圖。Lux 風力發電有限公司供圖。
　　英資財團研究出了另一個VAWT概念，2009年由能源技術研究所作為新型近海垂直軸（NOVA）項目提出。VAWT由于其較低的重心而固有的穩定性是近海應用的一個顯著優點，而HAWT具有的高度優勢（在一個更強、更平穩的氣流里運行）在海上則不太明顯。NOVA 的研究基礎是一個拴系的浮動機器，因此不需要塔樓或樁來固定。每個機器都包括一個中心輪轂，該輪轂含有發電機組和一個軸承，軸承上帶有一個大直徑的“V”型轉子。后者由兩個葉片構成，垂直角度約30°，并安裝在從輪轂大幅向上傾斜延伸的徑向臂上。
　　他們對NOVA 初設想的是一個5兆瓦的機器，但設計研究后這個規模高達10兆瓦。詳細的重新設計使得這一VAWT 實質上更輕了，至少不用通過碳纖維/環氧樹脂復合材料來生產葉片以使葉片的重量減半。支撐葉片的懸臂本身就是半個翼型件，對照侵蝕性海洋環境下的強度、硬度和耐用性的話，也可以是復合材料。來自英國的公司風力發電有限公司（Wind Power Ltd）是該聯盟的主要成員。據報道，該公司一直致力于一個50千瓦的樣機演示，同時試圖吸引投資，制造一個適合在海上部署的更大的機器。盡管其初的想法是沿著徑向支撐臂的寬度安裝幾個葉片或翼板，風力發電有限公司在十年前就率先提出了風力發電機的概念。一臺5千瓦的原型機就建成了。
      
　　Lux 風力發電有限公司供圖。
　　有關近海VAWTs進一步的工作已經在法國和瑞典開展了。
　　基于廣泛的VAWT研究和經驗，美國桑迪亞實驗室得出的結論是與HAWTS相比，立式機器在近海應用上具有顯著的優勢。既然在海上建立和部署HAWT的技術成本與額定功率的增長不成比例，可能是深水區的要求促使垂直軸的復蘇快速重新開始了。在風中的確可以發生方向的變化。
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