综述：面向极端环境的垂直轴风力机：性能、适应挑战与未来路径的系统综述

《Inventions》：Vertical-Axis Wind Turbines for Extreme Environments: A Systematic Review of Performance, Adaptation Challenges, and Future Pathways Mohanad Al-Ghriybah

　　

随着风能开发快速向复杂与极端环境拓展，垂直轴风力机（VAWT）因具备全向捕获风特性、紧凑占地及在恶劣工况下的潜在鲁棒性而受到持续关注。然而，现有关于VAWT性能的理解仍分散于气动、结构、运行及应用导向的研究中，缺乏系统性整合。本系统综述以环境胁迫因子为核心组织框架，综合并批判性评估VAWT在极端环境下的性能行为、适应挑战及未来研究方向。研究人员在Web of Science核心合集、Scopus、IEEE Xplore、ScienceDirect与SpringerLink数据库中开展文献检索，并以Google Scholar作为补充来源，覆盖2000年至2026年1月的出版物。纳入研究聚焦于在非标准或极端条件下运行的VAWT，涵盖结冰、海上、沙漠、高湍流及高温环境等场景。研究采用系统化质量评估方法，对方法学严谨性与环境表征水平进行评价，并通过定性与定量混合方式开展结果综合，未进行正式荟萃分析。综述结果显示，VAWT在非定常气动、数值建模与控制策略方面已取得显著进展，但由于简化建模假设与全尺寸实验验证不足，高保真仿真与真实运行性能之间仍存在持续偏差。定量结果表明，高湍流可导致大型VAWT功率输出下降23–42%，干旱环境中的沙尘可使扭矩与功率降低约25%，气温由15 ℃升至60 ℃可使VAWT功率系数（Cp）下降约38%。人工智能辅助设计、自适应机组构型及气候感知方法等新兴手段，在应对上述局限方面展现出潜力。研究结果凸显了开展长期现场实测、改进多物理场建模以及跨学科研究的迫切需求，以提升VAWT在极端环境下的可靠性与可扩展性。本综述未预先注册。

本文主体分为引言、研究方法、结果与讨论、结论四大部分，各节内容严格对应小标题展开，具体如下。

1. 引言

1.1 背景与研究动机 全球能源转型背景下，垂直轴风力机（VAWT）因其转子轴线垂直于风向，无需主动偏航机构即可实现全向风能捕获，发电机与传动系统可置于地面，从而降低机械复杂度、结构载荷及运维难度，被认为在分布式发电、城市及受限空间应用中具有优势。但相较于主流的水平轴风力机（HAWT），VAWT仍面临气动效率偏低、动态失速引发疲劳损伤、不同转子构型（Savonius、Darrieus及混合型）性能差异大且难以在全工况下超越HAWT等问题。同时，在城市高湍流、海上及复杂地形等HAWT适应性受限场景中，VAWT展现出独特潜力，尤其在紧密排布风电场中可通过尾流相互作用提高功率密度。然而，现有综述多将环境因素视为次要边界条件，缺乏对极端环境胁迫下性能、结构与运行行为的系统性整合，因此有必要以环境为中心开展系统综述。

1.2 风能语境下的极端环境 极端环境指超出常规设计与认证包络的气候或天气条件，包括极端风速、温度与热梯度、高气动湍流、磨蚀性颗粒及盐雾、雷电等复合胁迫。这些环境通过降低空气密度、改变气动特性、诱发结冰与腐蚀、加剧疲劳载荷等方式影响机组性能与寿命。文中将VAWT相关极端环境划分为五类：寒冷与易结冰环境、炎热与沙漠气候、极端海上与沿海条件、高湍流复杂地形及复合极端事件，并强调不同环境对气动、结构与运行可靠性的作用机制存在显著差异。

1.3 综述空白与论文贡献 现有VAWT综述多聚焦单一技术维度，如气动建模、叶片优化或特定应用，未将环境胁迫作为主导因素进行系统归纳。本文通过环境中心视角，填补了设计–运行–环境耦合关系的研究空白，为跨尺度（微观气动–中观结构–宏观系统）性能评估及针对性适应策略制定提供了基础框架。

2. 系统综述方法学

2.1 综述框架与标准 本研究遵循PRISMA（Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses）框架，并结合环境中心视角，同步开展定量指标提取与定性机制解析，确保透明性与可重复性。

2.2 文献检索策略 检索覆盖多学科数据库，采用布尔逻辑组合“VAWT”“极端环境”“结冰”“沙漠”“海上”“湍流”等关键词，限定2000年至2026年1月、经同行评审的英文文献，辅以滚雪球法与灰色文献评估，最终形成按环境类别分类的研究数据集。

2.3–2.5 纳入排除标准、筛选流程与数据提取 仅纳入针对VAWT、分析其在极端环境下性能或适应策略、并提供可比较结果的研究；排除纯HAWT研究、无验证的概念设计及非同行评议文献。经去重、标题摘要初筛与全文复筛，最终纳入39项研究。数据提取涵盖机组参数、环境条件、性能指标及适应策略，并按五类极端环境进行分类整理。

2.6–2.14 质量评估、合成方法与偏倚风险 研究人员从方法学严谨性、环境表征充分性及结果支撑度等方面评估每项研究的质量，优先依据高确定性证据得出结论。由于研究异质性较高，未进行荟萃分析，而是采用定性与定量混合的综合方法，按环境类别归纳性能趋势、结构响应及适应策略，并明确指出了发表偏倚与负结果缺失可能导致的性能高估风险。

3. 结果

3.1 极端环境分类 五类环境各自通过不同机制影响VAWT：寒冷与结冰环境主要破坏翼型气动外形并引发质量不平衡；炎热与沙漠环境通过低密度空气、沙尘磨损与热应力降低效率并加速材料退化；海上与沿海环境引入气动–水动耦合载荷、腐蚀与平台运动；高湍流复杂地形导致非定常入流与疲劳载荷升高；复合极端则产生非线性协同效应。

3.1.1 寒冷与结冰环境 结冰通过改变叶片几何与表面粗糙度，显著降低升力、增加阻力，最大可使升力系数下降67.278%，阻力系数上升24.821%，并导致扭矩波动与启动困难。现有研究多为小尺度数值模拟或理想化冰形分析，缺乏全尺寸野外验证。

3.1.2 炎热与沙漠环境 高温降低空气密度，使C_p在15 ℃至60 ℃区间内下降约38%；沙尘覆盖叶片可造成扭矩与功率峰值降低25%；高湍流对小型VAWT可能提升功率系数达20–22%，但对大型海上VAWT则可能导致23–42%的性能损失。长期侵蚀与疲劳效应尚未得到充分量化。

3.1.3 高湍流复杂地形 建筑与地形扰动可在局部提升能量捕获，屋顶安装VAWT的C_p最高可提升45.1%，但非稳态入流也显著加剧疲劳载荷。延迟分离涡模拟（DDES）表明，机组位置、离地间隙与周边布局对性能与结构响应具有决定性影响。

3.1.4 海上与沿海极端条件 海上高湍流、平台运动与盐雾腐蚀共同构成严峻挑战。数值研究显示，平台纵摇在特定工况下可使5 MW VAWT的C_p提升16.42%，但模型尺度外推存在不确定性；多兆瓦级VAWT的气弹不稳定性被识别为规模化关键障碍。

3.1.5 复合与新兴极端 多种胁迫因子（如结冰+强阵风、热层结+高湍流）的交互作用尚未被系统研究，阵列布局与大气边界层非稳态特征进一步增加了耦合极端环境的复杂性。

3.2 极端环境的性能影响 非定常入流加剧动态失速，大幅降低气动效率与尾流品质；循环载荷加速疲劳损伤，海上环境中气动与水动载荷耦合进一步复杂化应力谱；结冰与平台运动显著影响启动性能与运行连续性；相比HAWT，VAWT在全向性与机械简单性上具有优势，但气动效率与认证成熟度仍较低。

3.3 适应挑战 主要包括：非稳态入流诱发高频动态失速与尾流干扰；循环载荷与共振风险威胁结构完整性；结冰、腐蚀、沙尘磨损与热循环导致长期性能退化；控制策略匮乏且传感器在恶劣环境下易失效；规模化面临雷诺数效应、结构重量激增与平准化度电成本（LCOE）竞争力不足等约束。

3.4 结果综合 纳入研究以中小尺度实验与数值模拟为主，方法学质量中等，结果一致性显示Savonius机型在低风速高湍流下表现稳健，Darrieus机型效率高但对结冰与高温敏感。证据总体确定性为中等，长期野外数据与混合型设计研究仍显不足。

4. 讨论

4.1 设计与技术适应策略 气动设计可通过优化翼型、实度与采用螺旋叶片减轻动态失速与扭矩脉动；结构与材料创新依赖先进复合材料、防冰涂层与防腐系统；控制与数字化策略结合状态监测与数字孪生提升运行韧性；在偏远地区，VAWT可与光伏、储能构成混合能源系统，优先保障可用性与可靠性。

4.2 系统层面与社会技术考量 全生命周期评估、运维优化与循环经济模式（回收、再制造）决定项目可持续性；政策、标准化（如IEC 61400系列）与社会接受度共同构成部署的社会技术壁垒。

4.3 研究空白与未来方向 亟需开展全尺寸长期野外试验、公开多环境数据库与多物理场耦合仿真；发展基于人工智能（AI）的代理模型与自适应控制；将气候变化下的资源演变纳入设计标准。

4.4 发现解读、局限性与启示 本文指出VAWT在极端环境下具备独特优势，但实验室到工程的转化仍受限于验证数据不足与方法学简化。研究人员建议未来采用多作者协作以降低单作者偏倚风险。

5. 结论 当前VAWT研究在高保真仿真与小尺度实验方面进展显著，但全尺寸野外验证与多物理场耦合模型仍严重不足。建立开放数据库、发展气弹–腐蚀–疲劳耦合仿真框架及实施长周期监测实验，是提升VAWT在极端环境下可靠性与工程适用性的关键路径。