DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.116915
تاريخ النشر: 2026-03-23
المؤلف: Alessandro Bianchini وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث وتطوير طاقة الرياح
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث الحالة التاريخية والحالية لتوربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs)، مع تسليط الضوء على إمكانياتها كبديل لتوربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWTs) في تطبيقات طاقة الرياح البحرية. على الرغم من التقدم الكبير في فهم ديناميكا الهواء لتوربينات VAWT وتقليل الفجوة في الأداء مع HAWTs إلى أقل من 10%، إلا أن VAWTs واجهت صعوبة في اكتساب الزخم في السوق، خاصةً في التركيبات البرية حيث تهيمن HAWTs بسبب كفاءتها وموثوقيتها. تؤكد الورقة أنه بينما يتم تشبيه HAWTs بـ “سيارات الفورمولا 1” في الظروف المثلى، قد تقدم VAWTs مزايا في البيئات البحرية حيث تكون المساحة وكثافة الطاقة حاسمة.
يجادل المؤلفون بأن النتائج الأخيرة تشير إلى أن VAWTs يمكن أن تعزز من التقاط الطاقة في مزارع الرياح البحرية الكثيفة من خلال تحسين استعادة الذيل واستغلال الزخم من طبقات الحدود الجوية العليا. ومع ذلك، يشددون على ضرورة إجراء مزيد من الأبحاث للتحقق من هذه الفوائد النظرية في الظروف الواقعية. تدعو الورقة إلى زيادة الاستثمار في مشاريع العرض لتقليل الفجوة بين النظرية والممارسة، مما قد يؤدي في النهاية إلى تغيير في تصور الصناعة ودمج VAWTs في قطاع طاقة الرياح البحرية، مما يحولها من “سراب علمي” إلى حل طاقة قابل للتطبيق.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة الحالة الحالية وإمكانات توربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs)، مع تسليط الضوء على الفجوة بين البحث الأكاديمي والاستثمار الصناعي. على الرغم من الديناميكا الهوائية المعقدة لـ VAWTs، والتي تشمل التوقف الديناميكي وتفاعلات التدفق غير المستقرة، فقد ضاقت الابتكارات الأخيرة الفجوة في الأداء مع توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWTs) إلى أقل من 10%، مع تحقيق VAWTs لمعاملات طاقة تتجاوز 0.45. يشير المؤلفون إلى أن VAWTs تقدم عدة مزايا، مثل تقليل الضوضاء الديناميكية الهوائية، والاستقرار من مولدات المستوى الأرضي، وغياب نظام التوجيه. ومع ذلك، لا يزال هناك تشكك في الصناعة، جزئيًا بسبب نقص البيانات المتعلقة بالتصنيع والمعايير مقارنةً بـ HAWTs.
تهدف الدراسة إلى تقديم نظرة شاملة نقدية للقرن الماضي من أبحاث VAWT والتطورات الأخيرة، خاصة في التطبيقات البحرية. تؤكد على إمكانيات VAWTs لتعزيز كثافة الطاقة من خلال الزراعة الريحية المتجددة، خاصة في البيئات البحرية حيث يمكن تحسين استعادة الذيل بشكل كبير. تم هيكلة الورقة كقطعة وجهة نظر بدلاً من مراجعة منهجية، مستندة إلى خبرة المؤلفين الواسعة لتحديد المعالم التكنولوجية الرئيسية والمسارات المستقبلية. ستتناول الأقسام اللاحقة التطور التاريخي لـ VAWTs، والاكتشافات الأخيرة في نمذجة التدفق غير المستقر، وآثار التدفق العمودي على التطبيقات البحرية.
نقاش
يوفر قسم النقاش في الورقة تحليلًا شاملًا بأثر رجعي لتوربينات الرياح ذات المحور العمودي (VAWTs)، متتبعًا تطورها التاريخي ومحددًا المراحل الرئيسية التي شكلت تطورها. في البداية، كانت VAWTs، بما في ذلك تصميم Darrieus الذي تم براءته في عام 1925، مظللة بواسطة توربينات الرياح ذات المحور الأفقي (HAWTs) بسبب معاملاتها العليا في الطاقة والإخفاقات التشغيلية المبكرة، مثل الحادث الشهير لتوربين VAWT في جزر ماغدالين NRC في عام 1978. على الرغم من انتعاش الاهتمام في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، خاصةً للتطبيقات الصغيرة في البيئات الحضرية، واجهت VAWTs تحديات كبيرة، بما في ذلك ارتفاع تكاليف رأس المال، والأداء الضعيف في الظروف المضطربة، ومشكلات في بدء التشغيل الذاتي عند أعداد رينولدز المنخفضة.
أدت التقدمات الأخيرة في ديناميات السوائل الحاسوبية (CFD) إلى إحياء أبحاث VAWT، مما أتاح رؤى أعمق في الظواهر الديناميكية الهوائية المعقدة، مثل تأثيرات انحناء التدفق والتوقف الديناميكي. أدت هذه الابتكارات إلى نماذج تصميم جديدة تؤكد على أهمية استخدام الأجنحة المنحنية بشكل افتراضي وتحسين اتصالات الشفرات لتعزيز الأداء. تسلط الورقة الضوء على الإمكانيات الكبيرة لتوربينات VAWT البحرية الكبيرة للاستفادة من مزاياها الفريدة، مثل انخفاض مركز الثقل وتحسين التعامل مع التدفقات المضطربة، على الرغم من بقاء عقبات كبيرة في التصنيع. بشكل عام، تؤكد النتائج على الحاجة إلى مواصلة البحث والتطوير لمعالجة التحديات التقنية والاقتصادية التي تواجه تكنولوجيا VAWT، خاصةً في سياق التطبيقات البحرية الناشئة.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.rser.2026.116915
Publication Date: 2026-03-23
Author(s): Alessandro Bianchini et al.
Primary Topic: Wind Energy Research and Development
Overview
The research paper discusses the historical and current status of vertical-axis wind turbines (VAWTs), highlighting their potential as an alternative to horizontal-axis wind turbines (HAWTs) in offshore wind energy applications. Despite significant advancements in understanding VAWT aerodynamics and reducing the performance gap with HAWTs to less than 10%, VAWTs have struggled to gain traction in the market, particularly for onshore installations where HAWTs dominate due to their efficiency and reliability. The paper emphasizes that while HAWTs are likened to “Formula 1 cars” in optimal conditions, VAWTs may offer advantages in offshore environments where space and energy density are critical.
The authors argue that recent findings suggest VAWTs could enhance energy capture in dense offshore wind farms by improving wake recovery and harnessing momentum from higher atmospheric boundary layers. However, they stress the necessity for further research to validate these theoretical benefits in real-world conditions. The paper calls for increased investment in demonstration projects to bridge the gap between theory and practice, which could ultimately lead to a shift in industry perception and the integration of VAWTs into the offshore wind energy sector, transforming them from a “scientific mirage” into a viable energy solution.
Introduction
The introduction of the paper discusses the current state and potential of vertical-axis wind turbines (VAWTs), highlighting a disparity between academic research and industrial investment. Despite the complex aerodynamics of VAWTs, which include dynamic stall and unsteady flow interactions, recent innovations have narrowed the performance gap with horizontal-axis wind turbines (HAWTs) to less than 10%, with VAWTs achieving power coefficients exceeding 0.45. The authors note that VAWTs offer several advantages, such as reduced aerodynamic noise, stability from ground-level generators, and the absence of a yawing system. However, industry skepticism persists, partly due to a lack of industrialization and benchmarking data compared to HAWTs.
The study aims to provide a critical overview of the last century of VAWT research and recent advancements, particularly in offshore applications. It emphasizes the potential of VAWTs to enhance power density through regenerative wind farming, especially in offshore environments where wake recovery can be significantly improved. The paper is structured as a perspective piece rather than a systematic review, drawing on the authors’ extensive experience to identify key technological milestones and future trajectories. Subsequent sections will cover the historical development of VAWTs, recent discoveries in unsteady flow modeling, and the implications of vertical flow advection for offshore applications.
Discussion
The discussion section of the paper provides a comprehensive retrospective analysis of vertical-axis wind turbines (VAWTs), tracing their historical development and identifying key phases that have shaped their evolution. Initially, VAWTs, including the Darrieus design patented in 1925, were overshadowed by horizontal-axis wind turbines (HAWTs) due to superior power coefficients and early operational failures, such as the notorious crash of the NRC Magdalen Islands VAWT in 1978. Despite a resurgence of interest in the early 2000s, particularly for small-scale applications in urban environments, VAWTs faced significant challenges, including high capital costs, underperformance in turbulent conditions, and issues with self-starting at low Reynolds numbers.
Recent advancements in computational fluid dynamics (CFD) have revitalized VAWT research, enabling deeper insights into complex aerodynamic phenomena, such as flow curvature effects and dynamic stall. These innovations have led to new design paradigms that emphasize the importance of using virtually cambered airfoils and optimizing blade connections to enhance performance. The paper highlights the potential for large offshore VAWTs to capitalize on their unique advantages, such as lower center of gravity and better handling of turbulent flows, although significant industrialization hurdles remain. Overall, the findings underscore the need for continued research and development to address the technical and economic challenges facing VAWT technology, particularly in the context of emerging offshore applications.