21世紀見證了清潔可再生能源的崛起。其中，風能的發展尤為迅猛。在人們的印象中，風力發電機似乎都長一個樣：由一根高柱子和三支細長葉片組成的“超大型風車”。實際上，在風電技術漫長的演變過程中，五花八門的風力發電機層出不窮。
比如有種風力發電機像打蛋器……
圖片來源：veer圖庫
01 初出茅廬，備受冷落
根據文獻記載，世界上首臺風車可以追溯到公元前2世紀的波斯地區（今伊朗，境內某些風車至今仍能運行），它是用於抽水和碾磨穀物的垂直軸風力機。隨後，以荷蘭風車為代表的水平軸風車在18世紀盛行一時，與此同時，英國的James Blyoth爵士發明了首臺垂直軸風力機，拉開了垂直軸風電機組的序幕。
最古老的伊朗風車（垂直軸）（圖片來源：video.nationalgeographic.com）
風力發電機是利用風能轉化成為電能設備的統稱，當前世界上幾乎所有的大型風力發電機的轉動軸都與風向一致，也基本上與地面平行，稱為“水平軸風力發電機”；而“垂直軸風力發電機”的轉動軸垂直於風向，一般也垂直於地面。
表面上，兩種風力機的區別是主軸方向的不同，但二者最為核心的差異體現在是否需要對風上。自然界中風的風向時刻在發生變化，因此，水平軸風力機要想捕獲更多的風能，需要及時根據風向的變化進行調整，將機頭朝向風的來流方向（類似於向日葵朝向太陽），但實際上風輪難以完全跟隨來流的風向。而垂直軸風力機卻可以“任爾東西南北風”，其在各個方向都可以極大限度地吸收風能，完全不需要考慮對風問題。
需要實時對風的水平軸風力機 （圖片來源：cinelines.com）
垂直軸風力機的種類五花八門，在原理上可以大致分為阻力型和升力型兩類。阻力型風力機只有一半的受風面積被利用，機組功率係數較低，一般情況下不超過15%。其常見的形式包括S型，代表有風杯式風速計，主要安裝在氣象站測風塔、大型風電機組的機艙頂部以及電線杆頂部，其能量轉化效率（20%）略高於比普通的阻力型機組。我們見到的玩具風車也是一種典型的阻力型風力機。由於S型機組面臨大型化製造和能量利用率低的困局，其在風力發電領域舉步維艱。
風杯式風速計（S型風力機）（圖片來源：gifmania.co.uk）
扭曲變形的S型風力機 （圖片來源：inhabitat.com）
1931年，法國航空工程師達裡厄（Georges Jean Marie Darrieus）獲得了以自己名字命名的風力機專利，開創了升力型垂直軸風力機的先河。後人習慣把升力型垂直軸風力機統稱為達裡厄風力機（D式風力機），它看上去如同從地面突起的“打蛋器”。在所有類型的垂直軸風力機中，達裡厄風力機的風能利用係數最高，並且結構簡單，受力性能好。但在問世後的30多年裡它都未得到重視，直到上世紀60年代末才在北美出現了轉機。經過加拿大和美國科學家的大量研究，達裡厄風力機得以重見天日，並初步具備了工程實用價值。
安裝達裡厄風力機的風電場 （圖片來源：鵬芃科藝網）
02 “打蛋器”為啥能發電？
根據達裡厄風力發電機葉片的形狀，可將其分為彎葉片（φ形）和直葉片（H形和V形等）兩大類，二者在國內外均有應用。彎葉片主要承受純張力，不受離心力載荷的作用，結構受力性能較好，但其空間位置需保持固定，不便採用變槳等控制方法，因此彎葉片的製作成本高、製作難度大；而直葉片一般採用橫擔式拉索支撐，以防止離心力引起大的彎曲時應力，但這些支撐會產生額外的氣動阻力，降低效率，另外，它的起動性能也略有不足。
直葉片的達裡厄風力發電機 （圖片來源；鵬芃科藝網）
外表上，達裡厄風力機和水平軸風力機大相徑庭，實際上，由於兩種機組均依賴於葉片橫截面的翼型提供的升力進行驅動，在原理上可謂是“異曲同工”。下面對一款H形達裡厄風力機的原理進行分析（快讓風輪在你的腦海裡動起來~）。
H型風力機運行原理圖 （圖片來源：作者自制）
左圖H形達裡厄風力機的風輪由兩片與轉軸平行的葉片組成，葉片橫截面為具有流線型外形的對稱翼型，以相反方向安裝在風力機轉軸兩側，右圖中列舉了從0°到315°八個位置的葉片。風從左側吹向右方，葉片橫截面翼型產生的升阻力帶動風輪旋轉，正常工作時葉片受到的阻力很小，未將其標記在圖中。
升力與阻力的合成力在葉片前進方向的分力是推動風輪旋轉的力。對葉片在這8個角度的受力情況進行分析可以發現，除了在0°與180°位置處的相對風速不產生升力外，葉片在其它六個位置上受到的升力均能在運動方向產生轉矩。也就是說，葉片隨風輪旋轉到不同角度幾乎都有推動風輪朝著同一個方向旋轉的轉矩，這就是達裡厄風力機可以在任何風向的風力下運行的原因。
03 達裡厄風力機的優點
達裡厄風力機與水平軸三葉片風力機分別作為垂直軸和水平軸風力發電機的代表，在商業化開發方面，二者經歷了長期激烈的對決，雖然垂直軸風力機以失敗告終，但這並不意味著它完全不具備任何優勢。相反，除了上述提到的無需附加對風機構，避免能量流失之外，它還有諸多優點：
噪聲汙染小，有利於與高層建築結合
隨著風電場在偏遠地區的大規模開發建設，當前風力發電機逐漸靠近居民區。但這些大傢夥並不像看起來那樣溫順，風力機葉片掃掠空氣時會產生轟鳴的氣動噪聲，影響周邊居民的日常生活，許多人每天被低頻噪聲折磨得難以入睡。
而垂直軸風力機運行轉速只有十幾轉低，幾乎不會發出噪音。因此，它可以紮根在人口密集的都市，安裝在高層建築物的頂部，實現風能發電與建築的融合，直接將電力供給到用戶端。
埃菲爾鐵塔內部的垂直軸風力機（圖片來源：ecofriend.com）
上海中心大廈的垂直軸風力機（圖片來源：Sh.Eastday.Com）
轉速低，對鳥類友好，抵禦強風能力強
三支葉片的水平軸風力機外觀簡潔大方，它獨特的造型成為了自然景觀的點綴。但它葉尖的速度高達80 m/s，當風場建設在鳥類棲息地或鳥類遷徙路徑附近時，會對鳥兒造成了極大的威脅，被撞擊受傷甚至死亡的鳥類不計其數，其中不乏珍稀猛禽。
而垂直軸風力機的運行轉速很低，不會對鳥類造成傷害。此外，由於其塔架高度低，抗風能力強，在我國東南沿海臺風登陸區域有巨大的發揮空間。
機組間距小，安裝維護成本低
水平軸風力發電機運轉過程中會在風輪後方產生一個巨大的尾流區域，顯著影響後方風力機的性能，只有當前後兩臺機組的距離超過風輪直徑的20倍時才能完全消除氣流乾擾，這使得鋪設電纜的成本大幅攀升並且浪費了大量的土地資源。相反垂直軸機組受到紊亂氣流的幹擾小，試驗顯示機組之間相距風輪的4倍時能夠最大程度地吸收風能，因此，風電場內部可以實現機組的密集排布。此外，垂直型風力機的發電機、變速箱等質量大的設備能安裝在地面上，力學性能得到大幅改善，並且易於安裝和維護。
水平軸風力機在海上產生的尾流（圖片來源：energirs）
但垂直軸風電機組也存在著總體能量轉化效率低；運行超速時的速度控制困難，啟動風速高，難以自動啟動等缺點。
總體而言，垂直軸風力機似乎具有更顯著的優勢，但風力發電要實現大規模的工程開發，不僅僅需要論證技術的可行性，還要綜合考慮氣動效率、結構安全性、噪聲等級、環境影響、投入成本及收益等多個方面。
在達裡厄風力機與水平軸風力機激烈的博弈中，水平軸風力發電機在21世紀一騎絕塵，完全統治了商業化風電產業。但達裡厄風力機並未因此絕跡，在我國的偏遠山區及海島等區域發揮著局部供電的作用，如：保障照明、通訊等設備的長期運轉。
公路上方的彎葉片達裡厄風力機
04 迎來“第二春”：海上風力開發
邁入21世紀後，為了捕獲更多的風能以降低單位發電成本，水平軸風電機的尺寸逐步增大。與此同時，“高塔架長葉片”的超大型機組的缺陷日益突顯，除了存在運行維護成本高等固有短板外，其還會顯著影響生態環境。於是，垂直軸風力機重新走進人們的視野，興起了達裡厄風力機研究的浪潮。
根據當前海上風電的開發趨勢，水深超過60米的深海區域預計有超過2000 GW 的海上風能容量。數據表明，達裡厄風力機在深海環境中具有更低的建造、運行和維護成本等更為顯著的優勢。為了充分激發垂直軸風力機的潛能，研發人員基於長期應用技術的積累以及先進的數值分析工具，提出了一款全新的V形達裡厄風力機，也許在不久的未來，我們可以看到這種令人耳目一新的新型風力發電機。
外觀新穎的V形達裡厄海上風力發電機概念圖（圖片來源：Aerogenerator公司）
雖然在20世紀初期的陸地爭奪戰中達裡厄風力機以失敗收場，但種種特性表明其在海上具有巨大的潛在競爭力。不過，想要在漫長的蟄伏期後迅速成長起來，煥發生命的第二春，並與主流的水平軸風力機分庭抗禮，垂直軸風力機還有很長的路要走。
參考文獻：
[1]https://energy.sandia.gov/programs/renewable-energy/wind-power/offshore-wind/#float-vawt
[2] http://news.cntv.cn/20110720/108118.shtml
[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: http://www.guardian.co.uk/technology/2008/jan/29/wind.energy.aerogenerator (accessed on 10 May 2019)
[5] http://www.pengky.cn/zindex.html.
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