可再生能源的发展对于应对全球变暖和保护地球自然资源至关重要。风能和太阳能收集技术正在兴起。这导致对垂直轴风力涡轮机的需求不断增长。让我们了解更多有关它们的信息。
垂直轴风力涡轮机的类型
市场上常见的两种垂直轴风力涡轮机分别是达里厄斯风力涡轮机和萨沃纽斯风力涡轮机。
垂直轴风力涡轮机（VAWT）是主要用于住宅用途的一种风力涡轮机。它有2到3个叶片和一个垂直运动的转子轴。在VAWT中，发电机位于底部，叶片则环绕在塔筒的轴上。
这些涡轮机通常安装在高速公路中央隔离带上，行驶的车辆带动涡轮机的弧形叶片旋转，从而产生电力。涡轮机根据不同的需求，以不同的方式利用不同的风速。
1. 大流士风力涡轮机 (升降式)
这种风力涡轮机以其发明者乔治·达里厄（Georges Darrieus）的名字命名。达里厄风力涡轮机拥有细长弯曲的叶片，叶片与转子轴的顶部和底部相连。这种涡轮机也被称为“打蛋器”，其叶片的两端都与转子轴相连。
达里厄斯涡轮机利用空气动力提供的升力旋转。风流在涡轮机前侧产生吸力，使叶片反向旋转。
2. 萨沃纽斯风力涡轮机 （拖拽型）
这种涡轮机具有坚实的迎风面，叶片呈螺旋状排列，环绕在垂直轴上。萨沃纽斯涡轮机主要依靠气流阻力来驱动电机运转。
除了动态风力作为转动转子的主动力之外，这也是必要的。叶片的反面同时面临空气动力阻力。因此，这些涡轮机的旋转速度与风速成正比。
这两台风力涡轮机都采用了特定形状的机翼，以减少其受到的阻力。一旦开始旋转，涡轮机的转速也会增加，以超过风速，从而获得更好的性能。
垂直轴风力发电机工作原理
让我们来看看垂直轴风力涡轮机的组件。
- 齿轮箱 – 它增加低速轴的转速，以便将其连接到与发电机连接的高速轴。
- 发电机 – 它将风力涡轮机中的机械能转换为电能。
- 充电电池 – 它储存发电机产生的电力输出。
- LDR 电路 – 它用于打开/关闭系统中的灯。它由光敏电阻 (LDR)、电池、LED、晶体管和电阻器组成。
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工进
VAWT 连接到包含齿轮的变速箱，该变速箱直接连接到发电机轴。风开始转动涡轮机，产生机械能。
变速箱在内部提高涡轮机的转速，并将这些旋转作为机械输入传输给发电机。发电机利用这种能量并将其转化为电能，然后将其存储在电池中。这种储存的能量通过自动照明系统使用。
电路的功能
晶体管的发射极连接到 GND，集电极连接到 LED 的负极。电阻器的端子直接连接到电压源，LDR 连接到负极。一旦 LDR 电路直接连接到电池，它就可以感知到光的存在。此后，一旦接收到的光（阳光）强度降低，LED 就会自动打开。
垂直轴风力涡轮机应用
以下列出了垂直轴风力涡轮机的理想应用类型。
- 在小型风电项目和规模较小的风电装置中
- 在住宅建筑的建造或使用中。
- 在天气或风力条件不稳定的地区发电。
垂直轴风力发电机的优点
垂直轴风力发电机的优点如下：
1. 全向旋翼
垂直轴风力涡轮机（VAWT）的转子叶片能够捕捉来自任何方向的风。因此，即使在阵风和湍流等不稳定天气条件下，这些涡轮机也能发电。此外，它们也非常适合沿海和山区。
2. 更近的间距
每台风力涡轮机沿迎风方向的间距为5个直径，沿向下方向的间距约为10个直径。这种间距布局有助于避免气流紊乱，并降低涡轮机之间相互干扰导致风速降低的可能性。由于间距更小，垂直轴风力涡轮机每平方米的土地可以更有效地捕获更多能量。
根据斯坦福大学机械工程博士候选人安娜·克雷格 (Anna Craig) 2017 年的一项研究，垂直轴风力涡轮机 (VAWT) 与一组水平轴风力涡轮机（间距较大）相比，每单位土地上产生的电力可增加 10 倍。
3. 降低启动风速
垂直轴风力涡轮机的起始风速为2至3米/秒，即使在微弱的来风条件下也能发电。虽然在低风速下总输出功率较低，但与同类涡轮机不同，这些涡轮机在弱风条件下并非毫无用处。
4. 减少对环境的影响
垂直轴风力涡轮机比传统涡轮机体积更小。由于其叶片围绕轴建造，因此不会产生阴影。鸟类也能轻易看到叶片，从而降低受伤的风险。此外，垂直轴风力涡轮机的运行噪音极低，因此不会造成噪音污染。
5. 易于安装和维护
由于体积小巧，这些风力涡轮机易于运输、安装和维护。一辆大型卡车即可轻松一次性运输整台涡轮机。无需攀爬到极高的地方进行维修，因此垂直轴风力涡轮机的维护非常便捷。
6. 安装限制更少
由于尺寸较小，垂直轴风力涡轮机的安装许可比其他类型的涡轮机更容易获得。不同地区对最大建筑高度有不同的规定。由于垂直轴涡轮机的高度不高，因此在大多数州都允许建造。
7. 美学的感染力
垂直轴风力涡轮机采用现代几何设计，使其性能更佳，外观更美观。它们的外观与学校/大学校园、公园和其他建筑物等周边基础设施相得益彰。
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垂直轴风力涡轮机的缺点
尽管垂直轴风力涡轮机在许多地方都具有优势，但其缺点限制了其性能。让我们来一探究竟。
1. 旋转效率较低
由于其转子设计，萨沃纽斯风力涡轮机的叶片并非同时接收来风。迎风的叶片会转动，而其他叶片则跟随其转动，导致旋转效率降低。此外，萨沃纽斯风力涡轮机由于叶片面积较大，会受到更大的阻力。
2. 获得较低风速
垂直轴风力涡轮机安装在地面，因此无法利用高空的高风速。这使得涡轮机的运行范围仅限于较低的风速。
3. 部件快速磨损
由于垂直轴风力涡轮机安装在人口稠密的地面上，因此面临着更多问题，例如振动和湍流。叶片必须承受更大的力，桅杆和转子之间的轴承也承受更高的压力。这有时会导致叶片出现裂纹或弯曲。
4. 整体效率较低
由于设计和运行特性，垂直轴风力涡轮机的效率低于水平轴风力涡轮机（HAWT）。
5. 手动启动机制
达里厄斯风力涡轮机由于其机翼设计无法形成足够的扭矩来自动旋转，因此采用手动启动机制。它们无法像萨沃纽斯涡轮机和水平涡轮机那样自动启动。
因此，这两种垂直轴风力涡轮机是道路和高速公路上发电的可持续且简单的解决方案。然而，它们的设计和建造既有利又不利。然而，它们仍然是比基于化石燃料的解决方案更好的选择。
