阻力型 垂直轴风力发电机 原理|达里厄风力机的一生

左图H形达里厄风力机的风轮由两片与转轴平行的叶片组成，叶片横截面为具有流线型外形的对称翼型，以相反方向安装在风力机转轴两侧，右图中列举了从0°到315°八个位置的叶片。风从左侧吹向右方，叶片横截面翼型产生的升阻力带动风轮旋转，正常工作时叶片受到的阻力很小，未将其标记在图中。

升力与阻力的合成力在叶片前进方向的分力是推动风轮旋转的力。对叶片在这8个角度的受力情况进行分析可以发现，除了在0°与180°位置处的相对风速不产生升力外，叶片在其它六个位置上受到的升力均能在运动方向产生转矩。也就是说，叶片随风轮旋转到不同角度几乎都有推动风轮朝着同一个方向旋转的转矩阻力型 垂直轴风力发电机 原理，这就是达里厄风力机可以在任何风向的风力下运行的原因。

达里厄风力机的优点

达里厄风力机与水平轴三叶片风力机分别作为垂直轴和水平轴风力发电机的代表阻力型 垂直轴风力发电机 原理，在商业化开发方面，二者经历了长期激烈的对决，虽然垂直轴风力机以失败告终，但这并不意味着它完全不具备任何优势。相反，除了上述提到的无需附加对风机构，避免能量流失之外，它还有诸多优点：

噪声污染小，有利于与高层建筑结合

随着风电场在偏远地区的大规模开发建设，当前风力发电机逐渐靠近居民区。但这些大家伙并不像看起来那样温顺，风力机叶片扫掠空气时会产生轰鸣的气动噪声，影响周边居民的日常生活，许多人每天被低频噪声折磨得难以入睡。

而垂直轴风力机运行转速只有十几转低，几乎不会发出噪音。因此，它可以扎根在人口密集的都市，安装在高层建筑物的顶部，实现风能发电与建筑的融合，直接将电力供给到用户端。

埃菲尔铁塔内部的垂直轴风力机（图片来源：）

上海中心大厦的垂直轴风力机（图片来源：Sh.Eastday.Com）

转速低，对鸟类友好，抵御强风能力强

三支叶片的水平轴风力机外观简洁大方，它独特的造型成为了自然景观的点缀。但它叶尖的速度高达80 m/s吊车公司，当风场建设在鸟类栖息地或鸟类迁徙路径附近时，会对鸟儿造成了极大的威胁，被撞击受伤甚至死亡的鸟类不计其数，其中不乏珍稀猛禽。

而垂直轴风力机的运行转速很低，不会对鸟类造成伤害。此外，由于其塔架高度低，抗风能力强，在我国东南沿海台风登陆区域有巨大的发挥空间。

机组间距小，安装维护成本低

水平轴风力发电机运转过程中会在风轮后方产生一个巨大的尾流区域，显著影响后方风力机的性能，只有当前后两台机组的距离超过风轮直径的20倍时才能完全消除气流干扰，这使得铺设电缆的成本大幅攀升并且浪费了大量的土地资源。相反垂直轴机组受到紊乱气流的干扰小，试验显示机组之间相距风轮的4倍时能够最大程度地吸收风能，因此，风电场内部可以实现机组的密集排布。此外，垂直型风力机的发电机、变速箱等质量大的设备能安装在地面上，力学性能得到大幅改善，并且易于安装和维护。

水平轴风力机在海上产生的尾流（图片来源：energirs）

但垂直轴风电机组也存在着总体能量转化效率低；运行超速时的速度控制困难，启动风速高，难以自动启动等缺点。

总体而言，垂直轴风力机似乎具有更显著的优势，但风力发电要实现大规模的工程开发，不仅仅需要论证技术的可行性，还要综合考虑气动效率、结构安全性、噪声等级、环境影响、投入成本及收益等多个方面。

在达里厄风力机与水平轴风力机激烈的博弈中，水平轴风力发电机在21世纪一骑绝尘，完全统治了商业化风电产业。但达里厄风力机并未因此绝迹，在我国的偏远山区及海岛等区域发挥着局部供电的作用，如：保障照明、通讯等设备的长期运转。

公路上方的弯叶片达里厄风力机

迎来“第二春”：海上风力开发

迈入21世纪后，为了捕获更多的风能以降低单位发电成本，水平轴风电机的尺寸逐步增大。与此同时，“高塔架长叶片”的超大型机组的缺陷日益突显，除了存在运行维护成本高等固有短板外吊车公司，其还会显著影响生态环境。于是，垂直轴风力机重新走进人们的视野，兴起了达里厄风力机研究的浪潮。

根据当前海上风电的开发趋势，水深超过60米的深海区域预计有超过2000 GW 的海上风能容量。数据表明，达里厄风力机在深海环境中具有更低的建造、运行和维护成本等更为显著的优势。为了充分激发垂直轴风力机的潜能，研发人员基于长期应用技术的积累以及先进的数值分析工具，提出了一款全新的V形达里厄风力机，也许在不久的未来，我们可以看到这种令人耳目一新的新型风力发电机。

外观新颖的V形达里厄海上风力发电机概念图（图片来源：Aerogenerator公司）

虽然在20世纪初期的陆地争夺战中达里厄风力机以失败收场，但种种特性表明其在海上具有巨大的潜在竞争力。不过，想要在漫长的蛰伏期后迅速成长起来，焕发生命的第二春，并与主流的水平轴风力机分庭抗礼，垂直轴风力机还有很长的路要走。

参考文献：

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[3] Blackwell, B. F., et al. “Engineering Development Status of the Darrieus Wind Turbine.” Journal of Energy, vol. 1, no. 1, 1977, pp. 50–64.

[4]Aerogenerator Turbine Sets Sail for a Greener Future. Available online: (accessed on 10 May 2019)

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