Vysvětlení typů větrných turbín HAWT, VAWT a dalších

Převážná většina větrné turbíny vidět po celém kraji na větrných elektrárnách (jak na pobřeží, tak na moři) jsou standardní konstrukce se 3 lopatkami. Existuje však řada různých stylů/typů turbín a způsob, jakým využívají kinetickou energii větru, je zcela odlišný.

Dva hlavní typy větrných turbín jsou horizontální a vertikální. Větrné turbíny s horizontální osou mají osu otáčení orientovanou vodorovně. Obvykle mají 3 čepele a jsou navrženy tak, aby čelily větru. Větrné turbíny s vertikální osou mají rotační osu orientovanou vertikálně a jsou navrženy tak, aby využívaly kinetickou energii v opačném směru.

Kromě větrných turbín s horizontální osou a vertikální osou existují další iterace turbíny, které stojí za prozkoumání.

Nejběžnějším typem větrné turbíny je „Větrná turbína s horizontální osou“. Označuje se jako vodorovná osa, protože rotační osa leží vodorovně (viz obrázek níže)

Větrné turbíny s horizontální osou musí směřovat přímo do větru, aby fungovaly s maximální účinností, a celá hlava je navržena tak, aby se otočila čelem k větru. Jak vítr mění směr, tak se hlava musí otáčet (nebo 'vybočovat'), aby zůstala směřující do větru.

Větrné turbíny s horizontální osou se vybírají pro větrné elektrárny na moři a větrné elektrárny na pobřeží, kde je půda převážně plochá a otevřená, protože pracují efektivněji než turbíny s vertikální osou v oblastech, kde vítr není turbulentní.

Stvořeno pro Velikost

I když existuje spousta malých větrných turbín s horizontální osou komerčně dostupných pro energeticky uvědomělé majitele domů, jednou z jejich velkých výhod je, že se dobře škálují pro výrobu a lze je postavit VELMI VELKÉ. To je další důvod, proč se používají pro větrné elektrárny. Je mnohem efektivnější z hlediska nákladů postavit a provozovat jednu 10 megawattovou (MW) turbínu než pět 2 MW turbín.

Největší větrná turbína na světě (od léta 2021) je turbína Vestas V236 s jmenovitým výkonem 15 megawattů (MW). Má průměr lopatkového rotoru 236 m – více než dvojnásobek výšky Sochy svobody! Jedno jediné otočení jeho lopatek poskytne dostatek elektřiny pro chod průměrné domácnosti na jeden den.

Vertikální osa větrné turbíny

Méně účinnou a méně běžnou turbínou je 'Větrná turbína s vertikální osou'. Označuje se jako vertikální osa, protože rotační osa je vyrovnána svisle nahoru.

Není možné stavět turbíny s vertikální osou ve velkém měřítku, které vidíme u větrných farem s turbínami s horizontální osou. Největší větrná turbína s vertikální osou, která kdy byla postavena, byla 110 m vysoká, 3.8 MW turbína „ÉOLE“ v kanadském Quebecu. Ložisko rotoru však v roce 1993 selhalo pod hmotností 880 tun, které muselo nést. Od té doby je mimo provoz a nyní je pro turisty kuriozitou. Je vysoce nepravděpodobné, že by se někdo pokusil postavit turbínu s vertikální osou větší, než je tato, kvůli technickým problémům spojeným s přímou podporou tak těžkých závaží na jediném ložisku.

Stvořeno pro flexibilitu

I když jsou menší, hlavní výhodou, kterou větrné turbíny s vertikální osou mají oproti horizontální ose, je to, že se nemusejí zatáčet. Po celou dobu shromažďují větrnou energii ze všech směrů. Díky tomu, jak jsou lopatky navrženy, se vždy točí stejným směrem, bez ohledu na to, odkud vítr vane.

Díky tomu větrné turbíny s vertikální osou lépe zachycují větrnou energii na střechách měst a v zastavěných oblastech, kde turbulentní vítr neustále mění směr.

Větrné turbíny s vertikální osou zabírají méně místa než ekvivalentní výkon Turbína s horizontální osou a často se volí pro oblasti s omezeným prostorem.

Různé typy VAWT

Existují dva hlavní návrhy větrných turbín s vertikální osou, nazývané Savonius a Darrieus. Tyto návrhy jsou zcela odlišné ve způsobu, jakým zachycují větrnou energii.

Savonius VAWT

Větrné turbíny ve stylu Savonius s vertikální osou využívají princip odporu k přeměně větrné energie na mechanickou rotační energii. Fungují jako lopatka, tvarovaná tak, aby zachycovala vítr vstupující do turbíny, vytvářela odpor a tím ji nutila otáčet (viz obrázek níže). Bez ohledu na to, ze kterého směru vítr vane, vždy zasáhne přední i zadní část lopatky – ale zaoblená zadní část lopatky vytváří menší odpor, čímž umožňuje otáčení turbíny. To však znamená, že větrná turbína Savonius s vertikální osou může přeměnit nanejvýš 15 % energie větru na mechanickou rotační energii.

Darrieus VAWTs

Větrné turbíny Darrieus s vertikální osou využívají principu vztlaku k přeměně větrné energie na mechanickou rotační energii a jsou účinnější než turbíny typu Savonius s vertikální osou. Větrné turbíny Darrieus s vertikální osou používají lopatky, které mají průřez ve tvaru křídla letadla. Jak vítr přechází přes lopatku, efekt křídla křídla vytváří vztlak, a to je to, co otáčí turbínou (viz schéma níže).

Lopatky lopatky Darrieusovy turbíny mohou mít buď přímý, zakřivený nebo spirálový tvar (viz schéma níže).

To vše jsou turbíny Darrieus – listy rotoru jsou všechny stejné křídla vytvářející vztlak, ale v různých konfiguracích.

Šroubovitá konfigurace je možná nejzajímavější, protože umožňuje, aby byla delší křídlová lopatka obsažena ve stejné rotační oblasti jako turbína s rovnými lopatkami, čímž zachycuje více větru a zvyšuje účinnost. 

Další konstrukce turbín

Zatímco většina větrných turbín spadá do těchto dvou hlavních kategorií (vertikální osa a horizontální osa), existují různé experimentální návrhy, které se vzdalují normální konfiguraci těchto dvou návrhů.

Větrný strom

„Větrný strom“ postavený pařížskou společností New World Wind je založen na Savoniově větrné turbíně s vertikální osou, ale je nový v tom, že využívá mnoho malých turbín uspořádaných tak, aby vypadaly jako listy na stromě, aby vytvořily dekorativní městský prvek. .

Vortex Bladeless

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

Systém Vortex Bladeless využívá vysoký stožár ve tvaru sloupu, který získává energii z větru pomocí techniky zvané vírem indukovaná rezonance. Když vítr míjí sloup, způsobuje za ním turbulence, což způsobuje, že sloupek osciluje nebo „vibruje“ tam a zpět, a je to tato mechanická energie, která pohání lineární alternátor, a tak generuje elektrický proud.

Protože nemají žádné rotující lopatky, tento styl větrného generátoru nepředstavuje nebezpečí pro migrující ptáky nebo divokou zvěř.

Turbíny poháněné vozidly

Řada společností začala vyvíjet malé větrné turbíny s vertikální osou, které lze umístit do centrálního předhradí dálnic a dálnic. Spíše než aby byly poháněny „přirozeným“ větrem, jsou to turbulence způsobené neustálým proudem vozidel projíždějících vysokou rychlostí, co otáčí těmito turbínami. Takže i když se stále jedná o konvenční větrné turbíny s vertikální osou, je situace, na kterou jsou aplikovány, nová.

Křížová větrná turbína (CAWT)

Větrná turbína s křížovou osou je experimentální konstrukce turbíny s vertikální osou, která využívá jak horizontální, tak vertikální lopatky turbíny v novém zesíťovaném uspořádání. Se třemi vertikálními lopatkami a šesti horizontálními lopatkami dokáže zachytit větrnou energii přicházející z horizontálního i vertikálního směru. Studie zjistily, že je za stejných větrných podmínek 2.5krát účinnější než konvenční turbína s vertikální osou.

Vztlaková turbína chladicí věže

Tento návrh navrhuje novou konfiguraci větrné turbíny Darrieus s vertikální osou, orientované horizontálně a umístěné v horní části chladicích věží. Updraft z proudu odpadního vzduchu z věže, spíše než aby byl plýtván do atmosféry, se používá k pohonu turbíny.