Такие роторы имеют важные преимущества перед ветроприемными устройствами с горизонтальным расположением оси. Для них отпадает необходимость в устройствах для ориентации на ветер, упрощается конструкция и снижаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и других элементах установок с горизонтальной осью вращения.
Еще в прошлом были разработаны различные типы устройств с вертикальной осью вращения, в которых для создания вращающего момента использовалась сила сопротивления. К ним относятся устройства с пластинами, чащеобразными или турбинными элементами, а также роторами Савониуса с лопастями S-образной формы, на которые действует также и подъемная сила. Устройства такого типа обладают большим начальным моментом, но меньшими быстроходностью и мощностью по сравнению с обычным ротором.
В 1920 г. во Франции Дарье предложил новый тип ротора, интенсивной разработкой которого начиная с 1970 г. занимался совет National Research Council of Canada (NRC). В настоящее время ветродвигатель Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветродвигателей крыльчатого типа.
Рис. 1. Типовое семейство ветродвигателей Дарье с вертикальной осью вращения при среднегодовой скорости ветра 7,6 м/с.
Ротор Дарье относится к ветроприемным устройствам, использующим подъемную силу, которая возникает на выгнутых лопастях, имеющих в поперечном сечении профиль крыла. Ротор имеет сравнительно небольшой начальный момент, но большую быстроходность, в силу этого — относительно большую удельную мощность, отнесенную к его массе или стоимости. Такие роторы имеют различную форму (ф -, дельта-, Y- и ромбообразную) с одной, двумя или большим числом лопастей.
Для увеличения начального момента ротор Дарье может быть скомбинирован с различными типами вспомогательных устройств. Однако это увеличивает массу и стоимость ветроустановки, и применение ее при таких характеристиках требует оптимизации конструкции конкретного назначения. Рис. 1 иллюстрирует зависимость установленной мощности ротора Дарье Руст от его размеров.
В роторе другого типа с вертикальной осью вращения используется эффект Магнуса; к таким роторам с вращающимися цилиндрами можно отнести конструкции Мадараса и Флеттнера. При набегании ветрового потока на вращающийся цилиндр в соответствии с эффектом Магнуса действует сила, перпендикулярная направлению потока. Такие устройства подобно парусам могут быть использованы для приведения в движение судов или сухопутных транспортных средств (рис. 2, 3).
Рис. 2. Использование эффекта Магнуса в ветродвигателях, имеющих ротор с вертикальной осью вращения:
1 — воздействие ветра; 2— подъемная сила (эффект Магнуса); 3— сила сопротивления; 4 — результирующая сила.
Рис. 3. Схематическое изображение ветроэлектрической установки Мадараса: 1 — вращающийся цилиндр; 2— тележка; 3 — рельсовый путь; 4—электрический генератор, приводимый во вращение от колеса тележки.
Известна также ветроустановка с ротором вертикально-осевого вращения, располагаемым в трубе или башне, внутри которых генерируются восходящие вихри. Одновременно предусматривается нагрев воздуха внутри башни путем непосредственного использования солнечного излучения или сжигания топлива с последующим расширением воздуха, вследствие чего получается эффект газовой турбины.
В конечном счете, оценку многих возможных типов и конфигураций установок можно свести к определению стоимости энергии, вырабатываемой установкой при заданной скорости ветра.
