螺旋桨风力涡轮机是利用地球上最丰富的能源之一发电的最常见方式。高耸的三叶片风扇是风能的常见象征，但它们并不是市场上唯一的设计。
垂直轴涡轮机与水平轴涡轮机一样历史悠久，但未能大规模普及。“简单的说法是，商业化[垂直涡轮机]的公司无法使固有优势超过固有劣势，”国家可再生能源实验室风能技术中心首席工程师保罗·维尔斯说。
涡轮机主要有两种转子类型——转子是捕获风并旋转的发电机部件——并且具有许多相同的优点。达里厄斯转子使用弧形窄叶片，两端固定在轴上，类似于搅拌器或打蛋器。叶片具有类似于飞机机翼的横截面，并以类似的方式产生力。
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萨伏尼乌斯转子涡轮机是另一种设计，其中空气勺安装在发电机的轴上，形成一个旋转的圆筒。达里厄斯涡轮机通过产生升力旋转，而萨伏尼乌斯转子则通过阻力旋转。
由于涡轮机是垂直的，发电机可以放置在地面上或靠近地面，从而降低维护成本。它们较窄的垂直占地面积允许它们更靠近地放置在一起，尽管间距受到从经过的微风中提取多少能量以及诸如拉线之类的支撑结构的限制。垂直涡轮机也往往不如水平轴涡轮机那么高，并且具有稳定的重力载荷，这意味着重力的影响不会随着涡轮机的旋转而改变，这与水平轴涡轮机不同。它们还可以同等地接受来自任何方向的风。
更大质量，更少功率
“这是一项可行的技术，但它存在一些问题，”维尔斯说。“设计很复杂。它具有非常动态的载荷，并且是非常动态的结构。” 维尔斯说，尽管重力的影响是恒定的，但来自风的力会随着结构的旋转而在各个部分发生变化。他指出，变化的力的频率会产生一种称为共振的现象，即有效力被放大，转子最终会自行撕裂。这限制了单个涡轮机的尺寸。
此外，维尔斯说，这些设计具有固有的更高的质量功率比和固有的更低的效率。由于转子往往较短，垂直涡轮机只能利用较低的风速，并且更容易受到来自建筑物和树木的湍流的影响。“让他们发挥作用需要付出一些努力，”他说。
小型风能公司的独立顾问米克·萨格里洛同意这种评估。“转子本身实际上效率较低，”他说。“目前成功的技术是水平的。这是达尔文式的经济学。如果情况并非如此，那就太好了，因为那样我们就会有其他选择，但不幸的是，我们目前的情况就是这样。”
由于缺乏投资，垂直涡轮机的改进不如水平风车那样多。“水平风车有几十年的增长知识库，”维尔斯说。“通过知识投入了很多，通过失败学习了很多。”
尽管如此，一些工程师还是调整了垂直涡轮机设计，以提高其效率和成本效益。一种方法是将勺子或叶片排列成螺旋形，从而确保来自风的恒定力水平，最大限度地减少振荡。
寻找更好的配置
另一种方法是重新安排涡轮机的放置方式。加州理工学院工程与应用科学教授约翰·达比里研究了鱼群在水中的机动方式，并将他的发现推断到风力涡轮机上。从计算机模型中，他发现，反向旋转的垂直涡轮机可以以这样一种方式排列，即垂直风电场的单位面积功率输出高于水平风电场，能量密度高达 10 倍。
这种排列甚至可以利用不稳定的气流。“湍流是一种潜在的好处，因为它从[垂直涡轮机]风电场上方吸入动能，”达比里在一封电子邮件中说。
达比里说，对于大规模发电而言，目前的障碍是技术性的。“我们需要展示一种具有成本效益、可靠的垂直轴风力涡轮机。这是一个直接的工程挑战，但尚未完成，”他说。
然而，在较小的规模上，垂直涡轮机已经在家庭安装商中找到了市场，他们将它们安装在杆子或屋顶上。一些公司宣传他们的型号对鸟类友好。萨格里洛对这种趋势持怀疑态度。“在您选址的地方没有燃料，”他说，他指出，通常没有足够的风来使这些规模的安装具有成本效益。
他还说，垂直涡轮机并不比螺旋桨涡轮机对野生动物更安全。“旋转的转子就是旋转的转子；它的方向无关紧要，”他说。
不过，维尔斯认为，在某些应用中，垂直轴涡轮机将是理想的选择。“当人们关注非常非常大型的海上系统时，垂直轴的优势再次变得有趣，”他说。维尔斯观察到，发电机位置较低，因此重心较低的优势有助于降低海上浮动平台上的安装成本，而海上的风速通常高于陆地。
最终，垂直和水平涡轮机都有其权衡之处，尽管水平涡轮机是一种更成熟的技术。“这一切都取决于细节以及您如何出色地设计机器，”维尔斯说。“任何一种都可以成为有效的机器。在任何尺寸范围内，如果您做得对，任何一种都可能是有效的。”
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