Видове вятърни турбини HAWT, VAWT и други обяснения

По-голямата част от вятърни турбини наблюдавани из целия окръг във вятърни паркове (както на брега, така и в морето) са стандартни дизайни с 3 лопатки. Съществуват обаче редица различни стилове/типове турбини и начинът, по който те използват кинетичната енергия от вятъра, е доста различен.

Двата основни типа вятърни турбини са с хоризонтална ос и с вертикална ос. Вятърни турбини с хоризонтална ос осите на въртене трябва да са ориентирани хоризонтално. Те обикновено имат 3 остриета и са проектирани да са обърнати към вятъра. Вятърните турбини с вертикална ос имат въртяща се ос, подравнена вертикално и са проектирани да използват кинетичната енергия в обратна посока.

Освен вятърните турбини с хоризонтална ос и вертикална ос, има и други итерации на турбината, които си заслужава да бъдат проучени.

Най-често срещаният тип вятърна турбина е „вятърната турбина с хоризонтална ос“. Тя се нарича хоризонтална ос, тъй като въртящата се ос лежи хоризонтално (вижте диаграмата по-долу)

Вятърните турбини с хоризонтална ос трябва да сочат директно към вятъра, за да работят с максимална ефективност, а цялата глава е проектирана така, че да се завърта с лице към вятъра. Тъй като вятърът променя посоката си, така че главата трябва да се обърне (или да се „криви“), за да остане насочена към вятъра.

Вятърните турбини с хоризонтална ос се избират за офшорни вятърни паркове и вятърни паркове на брега, където земята е до голяма степен равна и открита, тъй като те работят по-ефективно от турбините с вертикална ос в райони, където вятърът не е турбулентен.

Създаден за размер

Въпреки че има много малки вятърни турбини с хоризонтална ос, налични в търговската мрежа за енергийно съзнателни собственици на жилища, едно от големите им предимства е, че те са подходящи за производство и могат да бъдат построени МНОГО ГОЛЕМИ. Това е още една причина да се използват за вятърни паркове. Много по-рентабилно е да се изгради и експлоатира една турбина от 10 мегавата (MW), отколкото пет турбини от 2 MW.

Най-голямата вятърна турбина в света (от лятото на 2021 г.) е турбината Vestas V236 с номинална изходна мощност от 15 мегавата (MW). Той има диаметър на ротора на острието от 236 м – повече от два пъти височината на Статуята на свободата! Едно единствено завъртане на остриетата ще осигури достатъчно електричество за поддържане на средно домакинство за един ден.

Вятърни турбини с вертикална ос

По-малко ефективна и по-рядко срещана турбина е „Вятърната турбина с вертикална ос“. Тя се нарича вертикална ос, тъй като въртящата се ос е подравнена вертикално нагоре.

Не е възможно да се изградят турбини с вертикална ос в големите мащаби, които виждаме във вятърните паркове с турбини с хоризонтална ос. Най-голямата вятърна турбина с вертикална ос, създавана някога, беше високата 110 метра и мощност 3.8 MW „ÉOLE“ турбина в Квебек, Канада. Въпреки това лагерът на ротора се провали през 1993 г. под теглото от 880 тона, което трябваше да поддържа. Оттогава не работи и сега е любопитство за туристите. Много малко вероятно е някой да се опита да изгради турбина с вертикална ос, по-голяма от тази, поради инженерните проблеми, свързани с директното поддържане на такива големи тежести върху един лагер.

Създаден за гъвкавост

Макар и по-малки, основното предимство, което вятърните турбини с вертикална ос имат пред хоризонталната ос, е, че не е необходимо да се люлеят. Те събират вятърна енергия от всички посоки през цялото време. Поради начина, по който са проектирани перките, те винаги се въртят в една и съща посока, независимо откъде идва вятърът.

Това прави вятърните турбини с вертикална ос по-добри в улавянето на вятърна енергия в градските покриви и застроените райони, където турбулентният вятър променя посоката си през цялото време.

Вятърни турбини с вертикална ос заемат по-малко място от турбина с еквивалентна мощност с хоризонтална ос и често се избират за райони, където пространството е ограничено.

Различни видове VAWT

Има два основни дизайна на вятърни турбини с вертикална ос, наречени Savonius и Darrieus. Тези дизайни са доста различни по начина, по който улавят вятърната енергия.

Савоний VAWTs

Вятърните турбини с вертикална ос в стил Savonius използват принципа на съпротивлението, за да преобразуват вятърната енергия в механична ротационна енергия. Те работят като лопатка, оформена така, че да улавя вятъра, навлизащ в турбината, създавайки съпротивление и по този начин я принуждавайки да се върти (вижте диаграмата по-долу). Без значение от коя посока идва вятърът, той винаги ще удря както предната, така и задната част на лопатката – но заоблената задна част на лопатката създава по-малко съпротивление, като по този начин позволява на турбината да се върти. Това обаче означава, че вятърна турбина с вертикална ос Savonius може да преобразува в най-добрия случай само 15% от вятърната енергия в механична ротационна енергия.

Дарие VAWTs

Вятърните турбини с вертикална ос Darrieus използват принципа на повдигане, за да преобразуват вятърната енергия в механична ротационна енергия и са по-ефективни от турбините с вертикална ос на Savonius. Вятърните турбини с вертикална ос на Darrieus използват лопатки, които имат напречно сечение, оформено като крило на самолет. Докато вятърът преминава над перката, ефектът на аерокрила създава повдигане и това е, което върти турбината (вижте диаграмата по-долу).

Лопатките на лопатките на турбина Darrieus могат да бъдат с права, извита или спирална форма (вижте диаграмата по-долу).

Това са всички турбини Darrieus – лопатките на ротора са едни и същи аерокрила, създаващи повдигане, но в различни конфигурации.

Спиралната конфигурация е може би най-интересната, тъй като позволява по-дълга лопатка на аерокрила да се съдържа в същата ротационна площ като турбина с прави лопатки, като по този начин улавя повече от вятъра и повишава ефективността. 

Други конструкции на турбини

Въпреки че по-голямата част от вятърните турбини попадат в тези две основни категории (вертикална ос и хоризонтална ос), има различни експериментални проекти, които се отдалечават от нормалната конфигурация на тези два дизайна.

Вятърното дърво

„Вятърното дърво“, построено от базираната в Париж компания New World Wind, се основава на вятърна турбина с вертикална ос Savonius, но е новост, тъй като използва много малки турбини, подредени така, че да изглеждат като листа на дърво, за да направят декоративен градски елемент .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless е испанска компания, която е използвала напълно различен метод за извличане на кинетична енергия от вятъра. Тяхната „турбина“ изобщо не прилича на конвенционална турбина, тъй като не се върти.

Системата Vortex Bladeless използва висока мачта с форма на стълб, която извлича енергия от вятъра с помощта на техника, наречена вихров резонанс. Докато вятърът минава покрай стълба, той предизвиква турбуленция зад него, което кара стълба да осцилира или „вибрира“ напред-назад и именно тази механична енергия задвижва линеен алтернатор, като по този начин генерира електрически ток.

Тъй като нямат въртящи се перки, този тип ветрогенератор не представлява опасност за мигриращи птици или диви животни.

Турбини, задвижвани от превозни средства

Редица компании са започнали да разработват малки вятърни турбини с вертикална ос, които могат да бъдат поставени в централните резервати на магистрали и магистрали. Вместо да се задвижва от „естествен“ вятър, турбуленцията, причинена от постоянния поток от превозни средства, преминаващи с висока скорост, върти тези турбини. Така че, докато те все още са конвенционални вятърни турбини с вертикална ос, ситуацията, в която се прилагат, е нова.

Вятърна турбина с напречна ос (CAWT)

Вятърната турбина с напречна ос е експериментална конструкция на турбина с вертикална ос, която използва хоризонтални и вертикални турбинни лопатки в нова омрежена конфигурация. С три вертикални лопатки и шест хоризонтални лопатки, той може да улавя вятърна енергия, идваща както от хоризонтална, така и от вертикална посока. Проучванията установиха, че тя е 2.5 пъти по-ефективна от конвенционалната турбина с вертикална ос при същите условия на вятъра.

Възходяща турбина на охладителна кула

Този дизайн предлага нова конфигурация на вятърна турбина с вертикална ос на Darrieus, ориентирана хоризонтално и разположена на върха на охладителните кули. Възходящото течение от изходящия въздушен поток от кулата, вместо да се изхвърля в атмосферата, се използва за задвижване на турбината.