有一种风力发电机，居然长得像打蛋器？
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：城明辰，原文标题：《被冷落的“打蛋机”：达里厄风力机的一生》
21世纪见证了清洁可再生能源的崛起。其中，风能的发展尤为迅猛。在人们的印象中，风力发电机似乎都长一个样：由一根高柱子和三支细长叶片组成的“超大型风车”。实际上，在风电技术漫长的演变过程中，五花八门的风力发电机层出不穷。
比如有种风力发电机像打蛋器……
初出茅庐，备受冷落
根据文献记载，世界上首台风车可以追溯到公元前2世纪的波斯地区（今伊朗，境内某些风车至今仍能运行），它是用于抽水和碾磨谷物的垂直轴风力机。随后，以荷兰风车为代表的水平轴风车在18世纪盛行一时，与此同时，英国的James Blyoth爵士发明了首台垂直轴风力机，拉开了垂直轴风电机组的序幕。
最古老的伊朗风车（垂直轴）
风力发电机是利用风能转化成为电能设备的统称，当前世界上几乎所有的大型风力发电机的转动轴都与风向一致，也基本上与地面平行，称为“水平轴风力发电机”；而“垂直轴风力发电机”的转动轴垂直于风向，一般也垂直于地面。
表面上，两种风力机的区别是主轴方向的不同，但二者最为核心的差异体现在是否需要对风上。自然界中风的风向时刻在发生变化，因此，水平轴风力机要想捕获更多的风能，需要及时根据风向的变化进行调整，将机头朝向风的来流方向（类似于向日葵朝向太阳），但实际上风轮难以完全跟随来流的风向。而垂直轴风力机却可以“任尔东西南北风”，其在各个方向都可以极大限度地吸收风能，完全不需要考虑对风问题。
需要实时对风的水平轴风力机 （图片来源：cinelines.com）
垂直轴风力机的种类五花八门，在原理上可以大致分为阻力型和升力型两类。阻力型风力机只有一半的受风面积被利用，机组功率系数较低，一般情况下不超过15%。其常见的形式包括S型，代表有风杯式风速计，主要安装在气象站测风塔、大型风电机组的机舱顶部以及电线杆顶部，其能量转化效率（20%）略高于比普通的阻力型机组。我们见到的玩具风车也是一种典型的阻力型风力机。由于S型机组面临大型化制造和能量利用率低的困局，其在风力发电领域举步维艰。
风杯式风速计（S型风力机）（图片来源：gifmania.co.uk）
扭曲变形的S型风力机 （图片来源：inhabitat.com）
1931年，法国航空工程师达里厄（Georges Jean Marie Darrieus）获得了以自己名字命名的风力机专利，开创了升力型垂直轴风力机的先河。后人习惯把升力型垂直轴风力机统称为达里厄风力机（D式风力机），它看上去如同从地面突起的“打蛋器”。
在所有类型的垂直轴风力机中，达里厄风力机的风能利用系数最高，并且结构简单，受力性能好。但在问世后的30多年里它都未得到重视，直到上世纪60年代末才在北美出现了转机。经过加拿大和美国科学家的大量研究，达里厄风力机得以重见天日，并初步具备了工程实用价值。
安装达里厄风力机的风电场（图片来源：鹏芃科艺网）
“打蛋器”为啥能发电？
根据达里厄风力发电机叶片的形状，可将其分为弯叶片（φ形）和直叶片（H形和V形等）两大类，二者在国内外均有应用。弯叶片主要承受纯张力，不受离心力载荷的作用，结构受力性能较好，但其空间位置需保持固定，不便采用变桨等控制方法，因此弯叶片的制作成本高、制作难度大；而直叶片一般采用横担式拉索支撑，以防止离心力引起大的弯曲时应力，但这些支撑会产生额外的气动阻力，降低效率，另外，它的起动性能也略有不足。
直叶片的达里厄风力发电机（图片来源；鹏芃科艺网）
外表上，达里厄风力机和水平轴风力机大相径庭，实际上，由于两种机组均依赖于叶片横截面的翼型提供的升力进行驱动，在原理上可谓是“异曲同工”。下面对一款H形达里厄风力机的原理进行分析（快让风轮在你的脑海里动起来~）。
H型风力机运行原理图 （图片来源：作者自制）
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，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，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：ecofriend.com）
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，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，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：
[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.