Τύποι ανεμογεννητριών HAWT, VAWT και περισσότερα Επεξηγημένα

Η συντριπτική πλειοψηφία των ανεμογεννήτριες που εμφανίζονται σε όλη την κομητεία σε αιολικά πάρκα (τόσο στην ξηρά όσο και στην ξηρά) είναι τυπικά σχέδια 3 λεπίδων. Ωστόσο, υπάρχουν πολλά διαφορετικά στυλ/τύποι στροβίλων και ο τρόπος με τον οποίο αξιοποιούν την κινητική ενέργεια από τον άνεμο είναι αρκετά διαφορετικός.

Οι δύο κύριοι τύποι ανεμογεννητριών είναι ο Οριζόντιος άξονας και ο Κατακόρυφος άξονας. Ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα έχουν τον άξονα περιστροφής προσανατολισμένο οριζόντια. Διαθέτουν συνήθως 3 λεπίδες και έχουν σχεδιαστεί για να βλέπουν στον άνεμο. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα έχουν τον περιστρεφόμενο άξονα ευθυγραμμισμένο κατακόρυφα και είναι σχεδιασμένες να αξιοποιούν την κινητική ενέργεια προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Εκτός από τις ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα και κάθετου άξονα, υπάρχουν και άλλες επαναλήψεις της ανεμογεννήτριας που αξίζει να εξερευνήσετε.

Ο πιο κοινός τύπος ανεμογεννήτριας είναι η «ανεμογεννήτρια οριζόντιου άξονα». Αναφέρεται ως οριζόντιος άξονας καθώς ο περιστρεφόμενος άξονας βρίσκεται οριζόντια (βλ. διάγραμμα, παρακάτω)

Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα πρέπει να κατευθύνονται απευθείας στον άνεμο για να λειτουργούν με τη μέγιστη απόδοση και ολόκληρη η κεφαλή είναι σχεδιασμένη να στρέφεται για να βλέπει τον άνεμο. Καθώς ο άνεμος αλλάζει κατεύθυνση, έτσι και η κεφαλή πρέπει να στρίβει (ή να 'ναι') για να παραμείνει στραμμένη προς τον άνεμο.

Οι ανεμογεννήτριες οριζόντιου άξονα επιλέγονται για υπεράκτια αιολικά πάρκα και αιολικά πάρκα στην ξηρά όπου η γη είναι σε μεγάλο βαθμό επίπεδη και ανοιχτή, επειδή λειτουργούν πιο αποτελεσματικά από τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα σε περιοχές όπου ο άνεμος δεν είναι τυρβώδης.

Κατασκευασμένο για το μέγεθος

Ενώ υπάρχουν πολλές ανεμογεννήτριες μικρής κλίμακας οριζόντιου άξονα που διατίθενται στο εμπόριο για ιδιοκτήτες σπιτιών που συνειδητοποιούν την ενέργεια, ένα από τα μεγάλα πλεονεκτήματά τους είναι ότι έχουν καλή κλίμακα για την κατασκευή και μπορούν να κατασκευαστούν ΠΟΛΥ ΜΕΓΑΛΑ. Αυτός είναι ένας άλλος λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται για αιολικά πάρκα. Είναι πολύ πιο αποδοτικό να κατασκευαστεί και να λειτουργήσει ένας στρόβιλος 10 μεγαβάτ (MW) από πέντε τουρμπίνες των 2 MW.

Η μεγαλύτερη ανεμογεννήτρια στον κόσμο (από το καλοκαίρι του 2021) είναι η τουρμπίνα Vestas V236, με ονομαστική ισχύ εξόδου 15 μεγαβάτ (MW). Έχει διάμετρο ρότορα λεπίδας 236 μέτρα – περισσότερο από το διπλάσιο ύψος από το Άγαλμα της Ελευθερίας! Μία μόνο περιστροφή των λεπίδων του θα παρέχει αρκετή ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργεί ένα μέσο νοικοκυριό για μια μέρα.

Ανεμογεννήτριες Κάθετου Άξονα

Μια λιγότερο αποδοτική και λιγότερο κοινή ανεμογεννήτρια είναι η «ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα». Αναφέρεται ως κατακόρυφος άξονας καθώς ο άξονας περιστροφής είναι ευθυγραμμισμένος κατακόρυφα προς τα πάνω.

Δεν είναι δυνατή η κατασκευή ανεμογεννητριών κάθετου άξονα στις μεγάλες κλίμακες που βλέπουμε στα αιολικά πάρκα με οριζόντιο άξονα. Η μεγαλύτερη ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα που κατασκευάστηκε ποτέ ήταν η ανεμογεννήτρια «ÉOLE» ύψους 110 μέτρων, 3.8 MW στο Κεμπέκ του Καναδά. Ωστόσο, το ρουλεμάν του ρότορα απέτυχε το 1993 κάτω από το βάρος των 880 τόνων που έπρεπε να υποστηρίξει. Έκτοτε δεν λειτουργεί και τώρα αποτελεί περιέργεια για τους τουρίστες. Είναι πολύ απίθανο κάποιος να προσπαθήσει να κατασκευάσει έναν στρόβιλο κατακόρυφου άξονα μεγαλύτερο από αυτόν, λόγω των μηχανικών προβλημάτων που σχετίζονται με την άμεση υποστήριξη τέτοιων βαρών σε ένα μόνο ρουλεμάν.

Κατασκευασμένο για ευελιξία

Αν και μικρότερες, το κύριο πλεονέκτημα που έχουν οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα έναντι του οριζόντιου άξονα είναι ότι δεν χρειάζονται εκτροπή. Συλλέγουν αιολική ενέργεια από όλες τις κατευθύνσεις όλη την ώρα. Λόγω του τρόπου με τον οποίο είναι σχεδιασμένες οι λεπίδες, περιστρέφονται πάντα με την ίδια κατεύθυνση, ανεξάρτητα από το πού προέρχεται ο άνεμος.

Αυτό καθιστά τις ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα καλύτερες στο να συλλαμβάνουν την αιολική ενέργεια σε στέγες πόλεων και σε κτισμένες περιοχές όπου ο τυρβώδης άνεμος αλλάζει κατεύθυνση συνεχώς.

Ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα καταλαμβάνουν λιγότερο χώρο από έναν στρόβιλο οριζόντιου άξονα ισοδύναμης ισχύος και συχνά επιλέγονται για περιοχές όπου ο χώρος είναι περιορισμένος.

Διαφορετικοί τύποι VAWT

Υπάρχουν δύο κύρια σχέδια ανεμογεννητριών κάθετου άξονα, που ονομάζονται Savonius και Darrieus. Αυτά τα σχέδια είναι αρκετά διαφορετικά ως προς τον τρόπο που συλλαμβάνουν την αιολική ενέργεια.

Savonius VAWTs

Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα τύπου Savonius χρησιμοποιούν την αρχή της οπισθέλκουσας για να μετατρέψουν την αιολική ενέργεια σε μηχανική περιστροφική ενέργεια. Λειτουργούν σαν μια σέσουλα, διαμορφωμένα έτσι ώστε να παγιδεύουν τον άνεμο που εισέρχεται στον στρόβιλο, δημιουργώντας έλξη και αναγκάζοντάς τον έτσι να περιστραφεί (βλ. διάγραμμα, παρακάτω). Ανεξάρτητα από την κατεύθυνση από την οποία προέρχεται ο άνεμος, θα χτυπά πάντα τόσο στο μπροστινό όσο και στο πίσω μέρος της σέσουλας – αλλά το στρογγυλεμένο πίσω μέρος της σέσουλας δημιουργεί λιγότερη αντίσταση, επιτρέποντας έτσι στην τουρμπίνα να περιστρέφεται. Ωστόσο, αυτό σημαίνει ότι μια ανεμογεννήτρια κάθετου άξονα Savonius μπορεί να μετατρέψει στην καλύτερη περίπτωση μόνο το 15% της αιολικής ενέργειας σε μηχανική περιστροφική ενέργεια.

Darrieus VAWTs

Οι ανεμογεννήτριες κατακόρυφου άξονα Darrieus χρησιμοποιούν την αρχή της ανύψωσης για να μετατρέψουν την αιολική ενέργεια σε μηχανική περιστροφική ενέργεια και είναι πιο αποτελεσματικές από τις ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα τύπου Savonius. Οι ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα Darrieus χρησιμοποιούν πτερύγια που έχουν διατομή που μοιάζει με το φτερό ενός αεροπλάνου. Καθώς ο άνεμος περνά πάνω από το πτερύγιο, το φαινόμενο αεροτομής δημιουργεί ανύψωση, και αυτό είναι που περιστρέφει τον στρόβιλο (βλ. διάγραμμα, παρακάτω).

Τα πτερύγια αεροτομής ενός στροβίλου Darrieus μπορεί να είναι είτε ίσια, κυρτά ή ελικοειδώς (βλ. διάγραμμα, παρακάτω).

Όλοι αυτοί είναι στρόβιλοι Darrieus – τα πτερύγια του ρότορα είναι όλα τα ίδια αεροτομές που δημιουργούν ανύψωση, αλλά σε διαφορετικές διαμορφώσεις.

Η ελικοειδής διαμόρφωση είναι ίσως η πιο ενδιαφέρουσα, καθώς επιτρέπει σε ένα μεγαλύτερο πτερύγιο αεροτομής να περιέχεται στην ίδια περιστροφική περιοχή με μια τουρμπίνα με ευθεία πτερύγια, συλλαμβάνοντας έτσι περισσότερο τον άνεμο και αυξάνοντας την απόδοση. 

Άλλα σχέδια στροβίλων

Ενώ η πλειονότητα των ανεμογεννητριών εμπίπτει σε αυτές τις δύο κύριες κατηγορίες (κατακόρυφος άξονας και οριζόντιος άξονας), έχουν υπάρξει διάφορα πειραματικά σχέδια που απομακρύνονται από την κανονική διαμόρφωση αυτών των δύο σχεδίων.

Το δέντρο του ανέμου

Το «Wind Tree» που κατασκευάστηκε από την εταιρεία New World Wind με έδρα το Παρίσι, βασίζεται σε μια ανεμογεννήτρια κατακόρυφου άξονα Savonius, αλλά είναι καινοτόμο καθώς χρησιμοποιεί πολλές μικρές τουρμπίνες διατεταγμένες ώστε να μοιάζουν με φύλλα σε ένα δέντρο για να δημιουργήσουν ένα διακοσμητικό αστικό χαρακτηριστικό. .

Vortex Bladeless

Η Vortex Bladeless είναι μια ισπανική εταιρεία που έχει χρησιμοποιήσει μια εντελώς διαφορετική μέθοδο για την εξαγωγή κινητικής ενέργειας από τον άνεμο. Η «τουρμπίνα» τους δεν μοιάζει καθόλου με μια συμβατική τουρμπίνα, καθώς δεν περιστρέφεται.

Το σύστημα Vortex Bladeless χρησιμοποιεί έναν ψηλό ιστό σε σχήμα κολόνας, ο οποίος εξάγει ενέργεια από τον άνεμο χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται συντονισμός επαγόμενος από δίνη. Καθώς ο άνεμος περνά από την κολόνα, προκαλεί αναταράξεις πίσω της, που αναγκάζουν την κολόνα να ταλαντώνεται ή να «δονείται» μπρος-πίσω, και αυτή η μηχανική ενέργεια είναι που οδηγεί έναν γραμμικό εναλλάκτη, δημιουργώντας έτσι ηλεκτρικό ρεύμα.

Καθώς δεν έχουν περιστρεφόμενες λεπίδες, αυτό το στυλ ανεμογεννήτριας δεν αποτελεί κίνδυνο για τα αποδημητικά πουλιά ή την άγρια ​​ζωή.

Στροβίλοι που κινούνται με οχήματα

Ορισμένες εταιρείες έχουν αρχίσει να αναπτύσσουν ανεμογεννήτριες μικρής κλίμακας κάθετου άξονα που μπορούν να τοποθετηθούν στην κεντρική κράτηση αυτοκινητοδρόμων και αυτοκινητοδρόμων. Αντί να οδηγείται από «φυσικό» άνεμο, είναι οι αναταράξεις που προκαλούνται από τη συνεχή ροή των οχημάτων που περνούν με υψηλή ταχύτητα που περιστρέφει αυτές τις τουρμπίνες. Έτσι, ενώ εξακολουθούν να είναι συμβατικές ανεμογεννήτριες κάθετου άξονα, η κατάσταση στην οποία εφαρμόζονται είναι νέα.

Ανεμογεννήτρια πολλαπλών αξόνων (CAWT)

Η ανεμογεννήτρια εγκάρσιου άξονα είναι μια πειραματική σχεδίαση ανεμογεννητριών κατακόρυφου άξονα που χρησιμοποιεί τόσο οριζόντια όσο και κάθετα πτερύγια τουρμπίνας σε μια νέα διασταυρούμενη διαμόρφωση. Με τρεις κάθετες λεπίδες και έξι οριζόντιες λεπίδες, μπορεί να συλλάβει την αιολική ενέργεια που προέρχεται τόσο από οριζόντια όσο και από κάθετη κατεύθυνση. Μελέτες διαπίστωσαν ότι ήταν 2.5 φορές πιο αποτελεσματικός από έναν συμβατικό στρόβιλο κάθετου άξονα στις ίδιες συνθήκες ανέμου.

Cooling Tower Updraft Turbine

Αυτό το σχέδιο προτείνει μια νέα διαμόρφωση μιας ανεμογεννήτριας κατακόρυφου άξονα Darrieus, προσανατολισμένης οριζόντια και τοποθετημένης στην κορυφή των πύργων ψύξης. Το ανοδικό ρεύμα από τη ροή του αέρα εξαγωγής από τον πύργο, αντί να σπαταλάται στην ατμόσφαιρα, χρησιμοποιείται για την κίνηση του στροβίλου.