螺旋槳風力渦輪機是利用地球上最豐富的能源之一發電的最常見方式。高聳的三葉片風扇是風能的常見象徵，但它們並不是市場上唯一的設計。
垂直軸渦輪機與水平軸渦輪機一樣歷史悠久，但未能大規模普及。“簡單的說法是，商業化[垂直渦輪機]的公司無法使固有優勢超過固有劣勢，”國家可再生能源實驗室風能技術中心首席工程師保羅·維爾斯說。
渦輪機主要有兩種轉子型別——轉子是捕獲風並旋轉的發電機部件——並且具有許多相同的優點。達裡厄斯轉子使用弧形窄葉片，兩端固定在軸上，類似於攪拌器或打蛋器。葉片具有類似於飛機機翼的橫截面，並以類似的方式產生力。
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薩伏尼烏斯轉子渦輪機是另一種設計，其中空氣勺安裝在發電機的軸上，形成一個旋轉的圓筒。達裡厄斯渦輪機透過產生升力旋轉，而薩伏尼烏斯轉子則透過阻力旋轉。
由於渦輪機是垂直的，發電機可以放置在地面上或靠近地面，從而降低維護成本。它們較窄的垂直佔地面積允許它們更靠近地放置在一起，儘管間距受到從經過的微風中提取多少能量以及諸如拉線之類的支撐結構的限制。垂直渦輪機也往往不如水平軸渦輪機那麼高，並且具有穩定的重力載荷，這意味著重力的影響不會隨著渦輪機的旋轉而改變，這與水平軸渦輪機不同。它們還可以同等地接受來自任何方向的風。
更大質量，更少功率
“這是一項可行的技術，但它存在一些問題，”維爾斯說。“設計很複雜。它具有非常動態的載荷，並且是非常動態的結構。” 維爾斯說，儘管重力的影響是恆定的，但來自風的力會隨著結構的旋轉而在各個部分發生變化。他指出，變化的力的頻率會產生一種稱為共振的現象，即有效力被放大，轉子最終會自行撕裂。這限制了單個渦輪機的尺寸。
此外，維爾斯說，這些設計具有固有的更高的質量功率比和固有的更低的效率。由於轉子往往較短，垂直渦輪機只能利用較低的風速，並且更容易受到來自建築物和樹木的湍流的影響。“讓他們發揮作用需要付出一些努力，”他說。
小型風能公司的獨立顧問米克·薩格里洛同意這種評估。“轉子本身實際上效率較低，”他說。“目前成功的技術是水平的。這是達爾文式的經濟學。如果情況並非如此，那就太好了，因為那樣我們就會有其他選擇，但不幸的是，我們目前的情況就是這樣。”
由於缺乏投資，垂直渦輪機的改進不如水平風車那樣多。“水平風車有幾十年的增長知識庫，”維爾斯說。“透過知識投入了很多，透過失敗學習了很多。”
儘管如此，一些工程師還是調整了垂直渦輪機設計，以提高其效率和成本效益。一種方法是將勺子或葉片排列成螺旋形，從而確保來自風的恆定力水平，最大限度地減少振盪。
尋找更好的配置
另一種方法是重新安排渦輪機的放置方式。加州理工學院工程與應用科學教授約翰·達比裡研究了魚群在水中的機動方式，並將他的發現推斷到風力渦輪機上。從計算機模型中，他發現，反向旋轉的垂直渦輪機可以以這樣一種方式排列，即垂直風電場的單位面積功率輸出高於水平風電場，能量密度高達 10 倍。
這種排列甚至可以利用不穩定的氣流。“湍流是一種潛在的好處，因為它從[垂直渦輪機]風電場上方吸入動能，”達比裡在一封電子郵件中說。
達比裡說，對於大規模發電而言，目前的障礙是技術性的。“我們需要展示一種具有成本效益、可靠的垂直軸風力渦輪機。這是一個直接的工程挑戰，但尚未完成，”他說。
然而，在較小的規模上，垂直渦輪機已經在家庭安裝商中找到了市場，他們將它們安裝在杆子或屋頂上。一些公司宣傳他們的型號對鳥類友好。薩格里洛對這種趨勢持懷疑態度。“在您選址的地方沒有燃料，”他說，他指出，通常沒有足夠的風來使這些規模的安裝具有成本效益。
他還說，垂直渦輪機並不比螺旋槳渦輪機對野生動物更安全。“旋轉的轉子就是旋轉的轉子；它的方向無關緊要，”他說。
不過，維爾斯認為，在某些應用中，垂直軸渦輪機將是理想的選擇。“當人們關注非常非常大型的海上系統時，垂直軸的優勢再次變得有趣，”他說。維爾斯觀察到，發電機位置較低，因此重心較低的優勢有助於降低海上浮動平臺上的安裝成本，而海上的風速通常高於陸地。
最終，垂直和水平渦輪機都有其權衡之處，儘管水平渦輪機是一種更成熟的技術。“這一切都取決於細節以及您如何出色地設計機器，”維爾斯說。“任何一種都可以成為有效的機器。在任何尺寸範圍內，如果您做得對，任何一種都可能是有效的。”
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