Druhy větrných turbín HAWT, VAWT a další vysvětleny

Velká většina větrné turbíny viditelná po celé zemi na větrných farmách (jak na pevnině, tak na moři) jsou běžné 3-čepové návrhy. Nicméně existuje několik různých stylů/typů turbín a způsob, jakým využívají kinetickou energii větru, je docela odlišný.

Dva hlavní typy větrných turbín jsou s vodorovnou osou a s svislou osou. Větrné turbíny se vodorovnou osou mají otáčivou osu orientovanou vodorovně. Typicky mají 3 čepele a jsou navrženy tak, aby byly namířeny proti větru. Svislé větrné turbíny mají otáčivou osu zarovnanou svisle a jsou navrženy tak, aby využívaly kinetickou energii v opačném směru.

Kromě větrných turbín se vodorovnou a svislou osou existují i jiné varianty turbín, které stojí za prozkoumáním.

Nejčastějším typem větrného turbíny je 'Vodorovná osa větrné turbíny'. Označuje se jako vodorovná osa, protože rotující osa leží vodorovně (viz nákres, níže).

Vodorovnoosé větrné turbíny musí být namířeny přímo proti větru, aby fungovaly s maximální účinností, a celá hlava je navržena tak, aby se otáčela a čelila větru. Pokud se větrné podmínky změní, hlava se musí otočit (nebo 'yaw') tak, aby zůstala namířena proti větru.

Vodorovnoosé větrné turbíny jsou vybrány pro mořské větrné farmy a pozemní větrné farmy, kde je terén převážně rovinný a otevřený, protože pracují efektivněji než vertikálnoosé turbíny v oblastech, kde není větrné proudění turbulentní.

Postaveno na velikost

I když je na trhu dostupných spousta malých vodorovných větrných turbín pro domácí majitele vědomé energetické spotřeby, jednou z jejich velkých výhod je, že se dobře škáluje pro výrobu a mohou být postaveny OBEZDĚLE VELKÉ. To je další důvod, proč se používají ve větrných farmách. Je mnohem ekonomičtější postavit a provozovat jednu turbínu o výkonu 10 megawattů (MW) než pět turbín o výkonu 2 MW.

Největší větrná turbína na světě (k létu 2021) je turbína Vestas V236 s nominálním výkonem 15 megawattů (MW). Má průměr rotoru 236 m – více než dvojnásobek výšky Sochy svobody! Jedna jediná rotace jejích lopatek poskytne dostatek elektřiny na napájení průměrného domácnosti po dobu jednoho dne.

Vertikální osy větrné turbíny

Méně efektivní a méně běžná turbína je 'svislá osa větrné turbíny'. Označuje se jako svislá osa, protože je její rotující osa zarovnána svisle nahoru.

Není možné stavět vertikální osy turbín ve velkém měřítku, jaké vidíme u větrných farm s vodorovnou osou. Největší kdy postavená vertikální osa větrné turbíny byla 110 metrů vysoká, 3,8MW „ÉOLE“ turbína v Quebecu, Kanada. Nicméně rotorový ložisko selhalo v roce 1993 pod tíhou 880 tun, kterou muselo podpírat. Od té doby není funkční a nyní je zvědavostí pro turisty. Je velmi nepravděpodobné, že by někdo zkoušel postavit vertikální osu turbíny větší než tato kvůli inženýrským problémům spojeným s přímým podporováním tak těžkých váh na jednom ložisku.

Postaveno pro flexibilitu

I když jsou menší, hlavní výhodou vertikálních os větrných turbín oproti vodorovným je, že nemusí provádět otáčení (yaw). Shromažďují energii ze větru ze všech směrů po celou dobu. Díky způsobu, jakým jsou navrženy listy, se vždy točí ve stejném směru, bez ohledu na to, odkud fouká vítr.

To dělá vertikální osy větrných turbín lépe schopnými zachytávat energii větru na střechách měst a ve vybudovaných oblastech, kde je turbulentní vítr neustále měnitelný.

Vertikální osy větrné turbíny zabírají méně místa než ekvivalentní horizontální osa turbína, a často jsou voleny pro oblasti, kde je omezené místo.

Různé typy VAWT

Existují dva hlavní návrhy vertikálních os větrných turbín, nazvané Savonius a Darrieus. Tyto návrhy se liší v tom, jak zachycují energii větru.

Savonius VAWT

Větrné turbíny s vertikální osou typu Savonius využívají princip odporu k převodu energie větru na mechanickou rotaci. Fungují jako lopatka, která je tvarována tak, aby zachycovala vstupní vítr, vytvářela tak odpor a nutila ji k rotaci (viz nákres níže). Bez ohledu na směr větru vždy narazí jak na přední, tak na zadní část lopatky – ale zaoblený zadní díl lopatky vytváří méně odporu, což umožňuje rotaci turbíny. Nicméně to znamená, že vertikální větrná turbína typu Savonius dokáže převést nejvýše 15 % energie větru na mechanickou rotaci.

Darrieus VAWTs

Větrné turbíny s vertikální osou typu Darrieus využívají princip zvedáku k převodu energie větru na mechanickou rotacní energii a jsou efektivnější než vertikální turbines stylu Savonius. Turbíny s vertikální osou typu Darrieus používají lopatky, které mají průřez tvaru letadlového křídla. Když větr stéká přes lopatku, aerodynamický účinek způsobuje vztlak, a to je co otáčí turbínu (viz nákres níže).

Aerodynamické lopatky u turbíny typu Darrieus mohou být buďto přímé, zakřivené, nebo helikoidálního tvaru (viz nákres níže).

Tyto jsou všechny turbíny typu Darrieus – rotorové lopatky jsou všechny stejné vztlakové aerodynamické lopatky, ale v různých konfiguracích.

Helikoidální konfigurace je možná nejzajímavější, protože umožňuje umístit delší aerodynamickou lopatku do téhož otáčecího prostoru jako u turbíny s přímými lopatkami, čímž zachytí více větru a zvýší efektivitu.

Další návrhy turbín

Zatímco většina větrných turbín spadá do těchto dvou hlavních kategorií (svislá a vodorovná osa), byly vyvinuty různé experimentální návrhy, které se odchylovají od běžné konfigurace těchto dvou typů.

Větrný strom

„Větrný strom“ postavený pařížskou společností New World Wind je založen na savonijské vertikální větrné turbíně, ale je novýní v tom, že používá mnoho malých turbín uspořádaných tak, aby vypadaly jako listy na stromě, čímž vytváří dekorativní prvek ve městském prostředí.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless je španělská společnost, která využila zcela jiný způsob extrakce kinetické energie z větru. Jejich „turbína“ vůbec nevypadá jako tradiční turbína, protože se neotáčí.

Systém Vortex Bladeless používá vysoký, sloupočlánkovitý stožár, který extrahuje energii z větru pomocí techniky známé jako vortex-induced resonance (vibrační résonance). Když větr stéká kolem sloupku, způsobuje za ním turbulence, což přivádí sloupek do oscilace nebo 'kmitání' sem a tam. Tato mechanická energie pohání lineární alternátor, čímž vzniká elektrický proud.

Protože nemají žádné rotující listy, tento typ větrogenerátoru nepředstavuje nebezpečí pro migrující ptáky ani divokou zvěř.

Turbiny poháněné vozidly

Několik firem začalo vyvíjet malé vertikální osy větrných turbin, které lze umístit na dálnicích a silnicích v oddělovací pásce. Místo aby je poháněl 'přirozený' vítr, jsou tyto turbiny otáčeny turbulence způsobenou neustálým průchodem vozidel vysokou rychlostí. Takže i když jsou to stále konvenční vertikální osy větrných turbin, je novotná situace, ve které jsou aplikovány.

Vítr v křížovém osu (CAWT)

Turbína s křížovou osou je experimentálním navrhem vertikální turbíny, která používá jak horizontální, tak vertikální lopatky v inovativní křížové konfiguraci. S třemi vertikálními a šesti horizontálními lopatkami může zachytávat energii větru z obou horizontálních i vertikálních směrů. Studie zjistily, že je 2,5krát efektivnější než běžná vertikální turbína ve stejných podmínkách větru.

Turbína s výparnou věží

Tento návrh předkládá novou konfiguraci Darrieusovy vertikální turbíny orientované horizontálně a umístěné na vrcholu výparných věží. Vzhůru směřující proud výfukového vzduchu z věže, místo toho aby byl ztracen do atmosféry, je použit k pohonu turbíny.