垂直轴风力发电机：1890年伟大，2014年又举行

垂直轴风力涡轮机（VAWT）继续获得关注，新闻和研发资金。主流风力发电的对抗者不断地指着它们，就好像它们是一种卓越的技术一样。人们永远重新发明它们，并相信他们找到了新的令人兴奋的东西。但是，它们不值得任何关注，是一项劣等技术，而且绝对不是新事物。除了几个利基之外，它们比其他任何事情都更加分散了有效的公用事业规模的水平轴风力涡轮机（HAWT）的部署。

简单的垂直轴风力涡轮机已有很长的历史，一种形式被用作有史以来的第一台发电风力涡轮机，由苏格兰的詹姆斯·布莱斯教授建造，为他的度假屋供电。

然而，即使到那时，丹麦的Poul la Cour仍在开发水平轴风力发电机的优势，1891年建造了第一台带有空气动力学叶片的HAWT。

快进130年，全球100多个国家/地区拥有约300,000台公用事业级HAWT，容量超过300 GW。当今，实用规模的垂直轴风力涡轮机的运行量完全为零，但是其优越性神话仍然存在。

尽管存在差异，但实际上只有两种主要类型的垂直轴风力涡轮机：

萨沃纽斯式涡轮机是基本的曳引机。它们通常具有圆形的桨叶，可将风吸入杯中并将其散布在圆形的前部，从而使阻力的差异使涡轮旋转。它们以一种或多种形式存在了几个世纪，但萨沃纽斯（Savonius）于1922年以他的名字坚持使用它们。达里埃斯风格的垂直轴风力涡轮机具有气动叶片，当它们绕着轴旋转时，它们以动力冲程在风中飞翔。再次，它的起源比达里厄斯本人还要老，但是他在1931年确实创造了专利。

HAWT比VAWT具有更高的生成能力的物理原理可以通过几个简单的图形来很好地说明。左图显示HAWT叶片始终在尽可能干净的空气中飞行，并直接面对风。唤醒涡流不会干扰设备的产生，但会顺风消散。叶片始终以最佳角度飞行，以捕获扫掠区域中的风力。

相比之下，右侧的VAWT叶片在整个跨度中只有一小部分处于与风的最佳角度，并且它们的叶片在空气中飞翔，这使它们大部分时间都处于湍流状态。当然，这是为了使两种类型的垂直轴风力发电机（达里厄斯式）中的效率更高。萨凡尼风格的人实际上在桨返回时将空气推开，甚至更加严重地限制了电势的产生。

下图摘自风力涡轮机E. Hau。在2006年出版的书：基础知识，技术，应用，经济学。施普林格。德国。2006.它显示了各种风力发电机的相对潜在（和实际）发电效率，毫不奇怪，三叶HAWT处于最有利的位置。它实际上是比该图表更旧的图表，但只是包含在教科书中的明显陈述。

在查看设备时，您还可以很快地看到，对于给定的扫掠区域，VAWT比HAWT需要更多的材料。结合要求VAWT具有更大的扫掠面积以实现相同的发电量，这也增加了材料成本。这进一步降低了VAWT的经济性。

因此，鉴于物理，测试，经济学和经验清楚地表明HAWT是最佳选择，为什么VAWT的支持者和其他人仍然对它们感到兴奋？嗯，这很大程度上与对主流的主流技术的负面反应以及传布的神话有关，以及对风力发电所涉及的折衷的误解。以下是VAWT支持者为其技术主张的最常见差异的一些揭露。

1.在风相对稳定的地方建立了公用事业规模的风电场，因此从任何方向捕获风并不是特别的优势

支持者声称，VAWT可以从任何角度捕获风，使其比HAWT更有效。从任何方向捕获不断变化的风和涡流只是在小规模情况下（例如城市或屋顶环境）的优势，在这些情况下，风能是如此之低和动荡，以至于潜在的发电也受到很大的限制。水平轴风力涡轮机（HAWT）设置在有稳定风的区域，并且叶片处于地面湍流之上，这会引起涡流的变化。进行风能测试以建立风能资源，通常，任何技术的屋顶和地面到地面的实现都会导致非常小的发电潜力。

让我们以旧金山的Presidio的Crissy Field小型VAWT演示为例。三种类型的垂直轴设备很小，总峰值发电量为6.8 KW，与单个公用事业规模的水平轴风力涡轮机相比，这种峰值功率几乎不存在，后者通常从1500 KW开始并达到5000 KW，220至容量的725倍。考虑到它们在不合标准的风中低落到地面，其容量系数可能会比现代风力涡轮机的典型35％容量系数（低端）低，由于可靠性较低，因此很有可能在20％的最大范围内。这样一来，一台公用事业规模的风力涡轮机每年可能会产生比所有五台Crissy Field设备多386到1,286倍的电力。由于目前第1类风能的容量因子在47％范围内，而美国和巴西的风电场通常都在经历50％，因此情况甚至可能更糟。

2.HAWT桅杆不会因侧向应力而塌陷

支持者和发明人声称，VAWT在桅杆上产生的应力较小。这是工程学和经济学。在风力发电的历史中，只有几例HAWT桅杆故障。工程非常完善。这不是需要其他解决方案的问题。

3.现代风电场更安静地发电

支持者和发明者声称VAWT更安静。实际上，这还没有得到证实，但是争论是，较低的叶片速度会导致较低的噪音，从而使问题变成一种美德。在加拿大，只有两个公用事业规模的VAWT农场或单个VAWT农场，一个小型打蛋机农场，每个约100 KW，一个大型的4 MW打蛋机。两者的生产持续时间都不超过十年，并且没有实际的噪声测量结果。

尽管尺寸大幅增加，但HAWT的改进仍将噪声排放保持在相同水平或更低。我们以Vesta V47 660 KW设备为例。它的额定噪声发射为102 dB。与2.5兆瓦容量的现代风力涡轮机相比，GE Brilliant 2.5 – 120的声音等级为106 dB。这是声音的明显增加，结果，房屋的挫折通常进一步导致相同的噪声水平。但是比较值得进一步探讨。660 KW设备的容量系数通常为20-25％，而现代风力涡轮机的容量系数为35-50％。较大的风力涡轮机也分开分布，以避免干扰尾波。单个设备的比较显示，现代风力涡轮机每年发电量大约是5.5到8.5倍，噪声排放略有增加，但是风力发电场很重要，而不是单个机器。

假设历史上的风电场有一百六百六十千瓦的设备，并且典型的间距是顺风十个直径和顺风四个直径，那么这将遍布大约五公里乘以两公里。一个只有16个现代GE设备的风力发电场将存在于同一空间中，一年的发电量可能增加30％。这是十六个106 dB的噪声发生器，而一百个102 dB的噪声发生器则可以显着降低风电场附近的整体噪声，并且以每兆瓦为基础。

4.为了产生相同的电力，VAWT必须与HAWT一样高，因此视觉冲击几乎是相同的

支持者和发明者声称VAWT具有较低的视觉冲击。这仅适用于靠近地面的小型风力发电机，对于小型HAWT也是如此。这是在权衡取舍的基础上进行的，以使其效率降低，而这并不是特别有用。为了使它们对于电网规模的发电具有经济性，它们必须很大，以至于仍然非常非常明显。如前所述，它们将需要更大的扫掠面积才能实现均等发电。在某些情况下，VAWT只能真正降低视觉冲击，因为某些设计是碰巧在移动的雕塑对象，但这也是一个非常主观的观点。

5.对于风电场附近的任何给定房屋，阴影闪烁只是一年中只有少数几个星期的黎明或黄昏的问题

支持者和发明者声称，VAWT不会产生有问题的阴影闪烁，因为这是三叶设计的一个因素。阴影闪烁是一个被高估的问题。在风电场附近的某些住宅中，它只会在日出或日落时发生几分钟，一年两次，一年两次。HAWT旋转太慢而不会引起癫痫发作（并且有设计研究和标准来确保这是真的）。风电场通常会尝试评估其对本地住宅的影响并在可能的情况下进行调整，所有三个主要的风电场选址工具（WindPro，WindFarm和Windfarmer）都包括阴影闪烁建模。反风的拥护者鼓吹它，但是您几乎必须在寻找讨厌风力涡轮机的东西，才能认为这是一个问题。规模足以产生公用事业水平的VAWT仍将受到NIMBY的憎恶。

6.如果将所有的化石燃料发电换成HAWT风电场，每年将减少百万只禽鸟死亡

支持者和发明者声称，VAWT比HAWT杀死的鸟类更少。由于HAWT鸟类的死亡率通常被高估了，远低于化石燃料的产生，有光的窗户，猫，传输线，汽车和许多其他鸟类死亡率的来源，这是一个稻草人的论点。由于尚未评估可扩大发电规模的VAWT的禽死亡率，因此这是一个无能为力的论点，类似于噪音问题。下表仅来自对野生生物影响的跨代研究形式之一，该研究来自纽约州。报告指出，在主要的公用事业规模发电形式中，对于鸟类和其他野生动植物，在几乎所有类别中，风能都优于大多数现有形式。

作为背景，在美国，每年约有八万六千只鸟被风力涡轮机杀死。

新研究很有趣，没有希望

乔恩·达比里（Jon Dabiri）是当今唯一发现VAWT的有趣事物的研究人员，他评估了间隔更近的VAWT的相互作用，以了解鱼类学习涡流研究是否适用于Darrieus型风力涡轮机。到目前为止，他已经发现，将反向旋转的VAWT放置在更紧密间隔的阵列中的理论，所产生的发电量要比它们自己或在更广泛的空间阵列中所预测的产生的发电量更大。但是，基于一个错误的基本假设，即主流风电场将100％使用土地，因此他夸大了其发现的重要性。他的工作可能会带来一些新的领域，在该领域中放置一系列VAWT非常经济，但极不可能破坏主流风能产业。

近来，海上风力发电已成为大型风力涡轮机的新希望。然而，对这一领域所有努力的评估最近发现，只有停滞的研究项目和满足远程站点发电需求的小型原型机。

总而言之，垂直轴风力涡轮机在历史上很有趣，但与公用事业规模的发电无关，并且对于抵御全球变暖的作用微不足道。对它们的持续关注只是分散了部署水平轴风力发电机的更多有用的精力，并且被反风运动者用作楔子。