如果您想象工业风力涡轮机，您可能会想到风车设计，技术上称为水平轴风力涡轮机 (HAWT)。但最早的风力涡轮机是在8世纪左右在中东开发的用于研磨谷物的垂直轴风力涡轮机 (VAWT)，这意味着它们垂直于风旋转，而不是平行旋转。

由于旋转速度较慢，VAWT 的噪音比 HAWT 低，并且可实现更大的风能密度，这意味着它们在岸上和海上实现相同输出所需的空间更小。这些刀片也对野生动物更加友好：因为它们是横向旋转的，而不是从上方向下切开，因此更容易被鸟类避开。

凭借这些优势，为什么垂直轴风力发电机在当今的风能市场上基本上缺席呢?正如工程学院非定常流诊断实验室研究员 Sébastien Le Fouest所解释的那样，这归结为一个工程问题——气流控制——他认为可以通过传感器技术和机器学习的结合来解决这个问题。在最近发表在《自然通讯》上的一篇论文中，Le Fouest 和 UNFOLD 负责人 Karen Mulleners 描述了 VAWT 叶片的两种最佳桨距剖面，可将涡轮机效率提高 200%，并将威胁结构的振动减少 77%。

“据我们所知，我们的研究代表了遗传学习算法的首次实验应用，以确定 VAWT 叶片的最佳螺距，”Le Fouest 说。

化阿喀琉斯之踵为优势

Le Fouest 解释说，虽然欧洲的风能装机容量每年增长 19 吉瓦，但这一数字需要接近 30 吉瓦才能满足联合国2050 年碳排放目标。

“实现这一目标的障碍不是财务，而是社会和立法——由于风力涡轮机的尺寸和噪音，公众对它们的接受度非常低，”他说。

尽管垂直轴风力发电机在这方面具有优势，但它也有一个严重的缺点：它们只有在适度、连续的气流下才能正常工作。垂直旋转轴意味着叶片相对于风不断改变方向。强烈的阵风会增加气流和叶片之间的角度，形成涡流，这种现象称为动态失速。这些涡流会产生叶片无法承受的瞬态结构载荷。

为了解决抗阵风能力不足的问题，研究人员将传感器安装在驱动叶片轴上，以测量作用在其上的空气力量。通过以不同的角度、速度和幅度来回倾斜叶片，他们生成了一系列“倾斜轮廓”。然后，他们使用计算机运行遗传算法，该算法执行了 3500 多次实验迭代。就像进化过程一样，该算法选择最有效和最稳健的音高曲线，并重新组合它们的特征以生成新的和改进的“后代”。

这种方法不仅使研究人员能够确定有助于显着提高涡轮机效率和稳健性的两个桨距剖面系列，而且还能够将 VAWT 的最大弱点转化为优势。

“动态失速——与摧毁风力涡轮机的现象相同——在较小的范围内实际上可以推动叶片前进。在这里，我们真正利用动态失速来发挥我们的优势，通过改变叶片桨距向前来产生动力，”Le Fouest 解释道。 “大多数风力涡轮机将叶片产生的力向上倾斜，这无助于旋转。改变这个角度不仅会形成一个更小的漩涡，同时还会在正确的时间将其推开，从而形成顺风的第二个发电区域。”

《自然通讯》论文代表了 Le Fouest 在 UNFOLD 实验室的博士工作。现在，他获得了瑞士国家科学基金会 (SNSF) 的BRIDGE资助，用于建造概念验证的 VAWT。目标是将其安装在室外，以便在它对现实条件进行实时响应时进行测试。

Le Fouest 表示：“我们希望这种气流控制方法能够使高效可靠的 VAWT 技术走向成熟，从而最终实现商业化。”