Tuuliturbiinien tyypit HAWT, VAWT ja lisää selityksiä

Suurin osa tuulivoimalat ympäri lääniä tuulipuistoissa (sekä maissa että off-shore) ovat vakiomallisia 3-lapamalleja. On kuitenkin olemassa useita eri tyylejä/tyyppejä turbiineja, ja tapa, jolla ne valjastavat tuulen kineettisen energian, on melko erilainen.

Tuulivoimaloiden kaksi päätyyppiä ovat vaaka-akseli ja pystyakseli. Vaaka-akseliset tuuliturbiinit Pyörivä akseli on suunnattu vaakasuoraan. Niissä on tyypillisesti 3-lapaa ja ne on suunniteltu tuulta vasten. Pystyakselisten tuuliturbiinien pyörimisakseli on suunnattu pystysuoraan, ja ne on suunniteltu valjastamaan liike-energiaa vastakkaiseen suuntaan.

Vaaka- ja pystyakselisten tuuliturbiinien lisäksi on muitakin turbiinin iteraatioita, joihin kannattaa tutustua.

Yleisin tuuliturbiinityyppi on 'Horizontal Axis Wind Turbine'. Sitä kutsutaan vaaka-akseliksi, koska pyörivä akseli on vaakasuorassa (katso kaavio alla)

Vaakaakselisten tuuliturbiinien on osoitettava suoraan tuuleen toimiakseen mahdollisimman tehokkaasti, ja koko pää on suunniteltu kääntymään tuulta päin. Kun tuulen suunta muuttuu, pään on käännyttävä (tai "kiinnitys"), jotta se pysyy suunnattuna tuuleen.

Vaakaakseliset tuuliturbiinit valitaan offshore-tuulipuistoihin ja rannikkotuulipuistoihin, joissa maa on suurelta osin tasaista ja avointa, koska ne toimivat pystyakselisia tuulivoimaloita tehokkaammin alueilla, joilla tuuli ei ole turbulenttinen.

Kokoon suunniteltu

Vaikka pienimuotoisia vaaka-akselisia tuuliturbiineja on kaupallisesti saatavilla energiatietoisille kodin omistajille, yksi niiden suurista eduista on, että ne skaalautuvat hyvin valmistukseen ja voidaan rakentaa ERITTÄIN ISOKSI. Tämä on toinen syy, miksi niitä käytetään tuulivoimaloissa. On paljon kustannustehokkaampaa rakentaa ja käyttää yhtä 10 megawatin (MW) turbiinia kuin viittä 2 MW:n turbiinia.

Maailman suurin tuulivoimala (kesällä 2021) on Vestas V236 -turbiini, jonka nimellisteho on 15 megawattia (MW). Sen siiven roottorin halkaisija on 236 metriä – yli kaksi kertaa Vapaudenpatsaan korkeus! Yksi siipien kierros tuottaa tarpeeksi sähköä keskimääräisen kotitalouden pyörittämiseen vuorokaudeksi.

Pystyakseliset tuuliturbiinit

Vähemmän tehokas ja vähemmän yleinen turbiini on "Vertical Axis Wind Turbine" . Sitä kutsutaan pystyakseliksi, koska pyörivä akseli on suunnattu pystysuoraan ylöspäin.

Pystyakselin turbiineja ei ole mahdollista rakentaa sellaisessa suuressa mittakaavassa, jota näemme vaaka-akselisten turbiinien tuulipuistoissa. Suurin koskaan rakennettu pystyakselinen tuuliturbiini oli 110 metriä korkea, 3.8 MW "ÉOLE" -turbiini Quebecissä, Kanadassa. Kuitenkin roottorin laakeri epäonnistui vuonna 1993 sen 880 tonnin painon alle. Se on ollut poissa käytöstä sen jälkeen, ja se on nyt turistien kiinnostava kohde. On erittäin epätodennäköistä, että kukaan yrittää rakentaa tätä suurempaa pystyakselin turbiinia teknisten ongelmien vuoksi, jotka liittyvät tällaisten raskaiden painojen suoraan tukemiseen yhdelle laakerille.

Rakennettu joustavuutta varten

Vaikkakin pienempi, pystyakselisten tuuliturbiinien tärkein etu vaaka-akseliin verrattuna on, että niiden ei tarvitse kääntyä. Ne keräävät tuulienergiaa kaikista suunnista koko ajan. Terien suunnittelusta johtuen ne pyörivät aina samaan suuntaan riippumatta siitä, mistä tuuli tulee.

Tämä tekee pystyakselisista tuuliturbiineista paremmin sieppaamaan tuulienergiaa kaupunkien katoilla ja rakennetuilla alueilla, joilla myrskyinen tuuli muuttaa suuntaa koko ajan.

Pystyakseliset tuuliturbiinit vievät vähemmän tilaa kuin vastaava teho Vaaka-akselinen turbiini, ja ne valitaan usein alueille, joissa tilaa on rajoitetusti.

Erityyppiset VAWT:t

Pystyakselisia tuulivoimaloita on kaksi päärakennetta, nimeltään Savonius ja Darrieus. Nämä mallit ovat melko erilaisia ​​siinä, miten ne taltioivat tuulienergiaa.

Savonius VAWTs

Savonius-tyyliset pystyakseliset tuuliturbiinit käyttävät vastustusperiaatetta tuulienergian muuttamiseksi mekaaniseksi pyörimisenergiaksi. Ne toimivat kuin kauha, ja ne on muotoiltu vangitsemaan turbiiniin tulevaa tuulta, luoden vastusta ja siten pakottamalla sen pyörimään (katso kaavio alla). Riippumatta siitä, mistä suunnasta tuuli tulee, se osuu aina sekä kauhan etu- että takaosaan – mutta kauhan pyöristetty takaosa vähentää vastusta, mikä mahdollistaa turbiinin pyörimisen. Tämä tarkoittaa kuitenkin sitä, että Savoniuksen pystyakselinen tuuliturbiini pystyy muuttamaan korkeintaan 15 % tuulienergiasta mekaaniseksi pyörimisenergiaksi.

Darrieus VAWTs

Darrieus pystyakselin tuuliturbiinit käyttävät nostoperiaatetta tuulienergian muuntamiseen mekaaniseksi pyörimisenergiaksi ja ovat tehokkaampia kuin Savonius-tyyliset pystyakseliset turbiinit. Darrieus pystyakselisissa tuulivoimaloissa käytetään siipiä, joiden poikkileikkaus on lentokoneen siiven muotoinen. Kun tuuli kulkee siiven yli, aerofoil-ilmiö luo nostovoimaa, ja tämä pyörittää turbiinia (katso kaavio alla).

Darrieus-turbiinin kantosiipat voivat olla joko suoria, kaarevia tai kierteisiä (katso kaavio alla).

Nämä ovat kaikki Darrieus-turbiineja – roottorin siivet ovat kaikki samoja nostoa luovia kantosiipiä, mutta eri kokoonpanoissa.

Kierteinen konfiguraatio on ehkä mielenkiintoisin, koska se mahdollistaa pidemmän kantosiipilevyn pitämisen samalla pyörimisalueella kuin suoralapainen turbiini, mikä vangitsee enemmän tuulta ja lisää tehokkuutta. 

Muut turbiinimallit

Vaikka suurin osa tuuliturbiineista kuuluu näihin kahteen pääluokkaan (pystyakseli ja vaaka-akseli), on olemassa erilaisia ​​kokeellisia suunnitelmia, jotka poikkeavat näiden kahden mallin normaalista konfiguraatiosta.

Tuulipuu

Pariisissa toimivan New World Windin rakentama "tuulipuu" perustuu Savoniuksen pystyakseliseen tuuliturbiiniin, mutta se on uusi siinä mielessä, että se käyttää monia pieniä turbiineja, jotka on järjestetty näyttämään puun lehdiltä koristeelliseksi kaupunkipiirteeksi. .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless on espanjalainen yritys, joka on hyödyntänyt täysin erilaista menetelmää kineettisen energian talteenottamiseen tuulesta. Niiden "turbiini" ei näytä ollenkaan perinteiseltä turbiinilta, koska se ei pyöri.

Vortex Bladeless -järjestelmä käyttää korkeaa, pilarin muotoista mastoa, joka poimii energiaa tuulesta käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan pyörteen aiheuttamaksi resonanssiksi. Kun tuuli ohittaa pilarin, se aiheuttaa turbulenssia sen takana, mikä saa pilarin värähtelemään tai "värähtelemään" edestakaisin, ja tämä mekaaninen energia käyttää lineaarista vaihtovirtageneraattoria, jolloin syntyy sähkövirtaa.

Koska niissä ei ole pyöriviä siipiä, tämän tyylinen tuuligeneraattori ei aiheuta vaaraa muuttaville linnuille tai villieläimille.

Ajoneuvokäyttöiset turbiinit

Useat yritykset ovat alkaneet kehittää pienimuotoisia pystyakselisia tuulivoimaloita, jotka voidaan sijoittaa valtateiden ja moottoriteiden keskusvaraukseen. Sen sijaan, että niitä ajaisi "luonnollinen" tuuli, näitä turbiineja pyörittää suurella nopeudella kulkevien ajoneuvojen jatkuvan virran aiheuttama turbulenssi. Joten vaikka ne ovat edelleen tavanomaisia ​​pystyakselin tuuliturbiineja, tilanne, johon niitä sovelletaan, on uusi.

Poikkiakselinen tuuliturbiini (CAWT)

Poikittaisakselinen tuuliturbiini on kokeellinen pystyakselinen turbiinirakenne, jossa käytetään sekä vaaka- että pystysuuntaisia ​​turbiinin siipiä uudessa silloitetussa kokoonpanossa. Kolmella pystysuoralla ja kuudella vaakasuuntaisella lavalla se voi siepata tuulienergiaa sekä vaaka- että pystysuunnista. Tutkimusten mukaan se oli 2.5 kertaa tehokkaampi kuin perinteinen pystyakselinen turbiini samoissa tuuliolosuhteissa.

Jäähdytystornin ylävirtausturbiini

Tämä malli ehdottaa Darrieus-pystyakselisen tuuliturbiinin uutta kokoonpanoa, joka on suunnattu vaakasuoraan ja sijaitsee jäähdytystornien päällä. Tornista poistoilmavirrasta tuleva ylävirtaus käytetään turbiinin ohjaamiseen sen sijaan, että se hukattaisiin ilmakehään.