Tuuliturbinejen tyypit HAWT, VAWT ja muut selitetty

Suurin osa tuulivoimalat näkyvissä maakunnassa tuulilaitoksilla (molemmilla rannikolla ja merellä) ovat standardimaiset 3-siilaiset suunnitelmat. Kuitenkin useita erilaisia tyyppisiä turbiineja on olemassa, ja tapa, jolla ne hyödyntävät tuulen kineettistä energiaa, on aivan erilainen.

Kaksi pääasiallista tuuliturbiinityyppiä ovat vaakasuuntaiset ja pystysuuntaiset akset. Vaakasuuntaiset tuuliturbiinit ovat niitä, joilla pyörivä akseli on asetettu vaakatasoon. Ne koostuvat yleensä kolmesta siilasta ja suunnitellaan kohtaamaan tuulta. Pystysuuntaiset tuuliturbiinit ovat niitä, joilla pyörivä akseli on asetettu pystytasoon ja ne on suunniteltu hyödyntämään kineettistä energiaa toisessa suunnassa.

Vaakasuuntaisten ja pystysuuntaisten tuuliturbiinien lisäksi on muitakin turbiiniversioita, jotka ovat arvoisia tutkimista.

Yleisin tuulimyllytyyppi on 'Vaakataso Tuulimylly'. Sen kutsutaan vaakatasoiseksi, koska pyörivä akseli on vaakatasossa (katso kaavio, alla).

Vaakataso tuulimyllyt täytyvät osoittaa suoraan tuuleen saavuakseen toimimaan tehokkaimmin, ja koko moottori on suunniteltu kääntymään kohti tuulta. Kun tuulen suunta muuttuu, myös moottori täytyy kääntyä (tai 'pyöriä') jotta se pysyy osoituksissa tuuleen.

Vaakataso tuulimyllyt valitaan merituuli-puistoille ja maallisiin tuulipuistoille, joissa alue on pääasiassa tasainen ja avoin, koska ne toimivat tehokkaammin kuin pystyakseli tuulimyllyt alueilla, joilla tuuli ei ole häiriöllinen.

Suunniteltu kokoa varten

Vaikka kaupallisia energiatarpeita tietoiset kotimiehet voivat ostaa monia pienimuotoisia vaakasuuntaisia tuuliturbiineja, yksi niiden suurimmista etuuksista on, että ne skaalautuvat hyvin valmistuksessa ja niitä voidaan rakentaa Erittäin SUUREKSI. Tämä on toinen syy siihen, miksi niitä käytetään tuulilaitoksissa. On paljon taloudellisempää rakentaa ja käyttää yhtä 10 megawattisen (MW) turbiinia kuin viittä 2 MW:n turbiinia.

Suurin tuuliturbiini maailmassa (kesä 2021 mennessä) on Vestas V236-turbiini, jonka teho on 15 megawattia (MW). Sen laskurin halkaisija on 236 metriä – enemmän kuin kaksinkertainen Vapauden patsaan korkeus! Yhden pyörityksen avulla se tuottaa tarpeeksi sähköä keskimääräiselle kotitaloudelle päiväksi.

Pystysuuntaiset tuulimoottorit

Vähemmän tehokas ja vähemmän yleinen turbiini on 'pystyakselinen tuuliturbiini'. Se kutsutaan pystyakseliseksi, koska pyörivä akseli on asetettu pystysuunnassa.

On mahdotonta rakentaa pystyakselin tuulimyllyjä niin suurilla mittakaavoilla kuin mitkä näemme vaakasuuntaisten tuulimyllyjen tuulilaitoksissa. Suurin koskaan rakennettu pystyakselin tuulimylly oli 110 metriä korkea, 3,8MW "ÉOLE"-tuulimylly Quebeckissa, Kanadassa. Kuitenkin vuonna 1993 rotorin kantaja hajosi 880 tonnin paineen alle, jonka se oli pakko tukea. Se on ollut ei-toiminnassa siitä lähtien ja on nyt parhaillaan seikkailijoiden mielenkiintoista kohteita. On erittäin epätodennäköistä, että joku yrittää rakentaa pystyakselin tuulimyllyä, joka on suurempi kuin tämä, koska insinööritekniikkaongelmien vuoksi on vaikea tukea suoraan sellaista painoa vain yhdellä kantajalla.

Rakennettu joustavuuden takia

Vaikka pienempiä, pystyakselin tuulimyllyillä on yksi keskeinen etu vaakasuuntaisiin tuulimyllyihin nähden: niiden ei tarvitse pyöriä. Ne keräävät tuulenenergiaa kaikista suunnista jatkuvasti. Niiden sivujen suunnittelun vuoksi ne pyörivät aina samaan suuntaan, riippumatta siitä, mistä suunnasta tuuli tulee.

Tämä tekee pystysuuntaisten tuulimoottorien paremmiksi tuulen energian kiinnittämisessä kaupungin katsoilla ja muissa tiheissä alueilla, joilla häiriötuuli muuttuu suuntaansa jatkuvasti.

Pystysuuntaiset tuulimoottorit vaatii vähemmän tilaa kuin vastaava horisontaalinen moottori, ja niitä valitaan usein tilaa rajoitetuille alueille.

Eri tyypit VAWTeja

On olemassa kaksi pääasiallista suunnitelmaa pystysuuntaisille tuulimoottoreille, nimeltään Savonius ja Darrieus. Nämä suunnitelmat eroavat toisistaan siinä, miten ne kiinnittävät tuulen energiata.

Savonius-VAWTs

Savonius-tyylinen pystysuuntainen tuulimoottori käyttää raahauseen perustuvaa periaatetta muuntaakseen tuulenenergiaa mekaaniseksi pyörimisenergiaksi. Se toimii kuin kaapeli, jonka muoto on suunniteltu siten, että se kiinnittää tuultilaa, joka tulee moottoriin, aiheuttaen raahauksen ja siten pakottaen sen pyörimään (katso kaavio, alla). Tuulen suunta ei vaikuta siihen, että se osuu aina sekä etupuolelle että takapuolelle kaapelissa – mutta kaapelinhieno takapuoli aiheuttaa vähemmän raahautua, mikä mahdollistaa moottorin pyörimisen. Tämä tarkoittaa kuitenkin, että Savonius-pystysuuntainen tuulimoottori voi muuntaa enintään 15% tuulenenergiasta mekaaniseksi pyörimisenergiaksi.

Darrieus VAWTs

Darrieusin pystyakselinen tuulimoottori käyttää nostovoiman periaatetta muuntaakseen tuulen energian mekaaniseksi pyöriväksi energiaksi ja se on tehokkaampi kuin Savonius-tyylinen pystyakselinen tuulimoottori. Darrieusin pystyakseliset tuulimoottorit käyttävät laskuripuolia, jotka ovat ristihaaraan muovattuja lentokoneen siivet vastaavasti. Kun tuuli kulkee laskurin yli, ilmakehän virtausluoma nostovoima aiheuttaa moottorin pyörityksen (katso kaavio alla).

Darrieus-moottorin ilmakehänvirtauspuolit voivat olla joko suoria, kaarevia tai helikoidisia muotoja (katso kaavio alla).

Nämä ovat kaikki Darrieus-moottoreita – pyörivien puolien nostovoiman luomisesta johtuu, mutta ne ovat erilaisissa konfiguraatioissa.

Helikoidinen konfiguraatio on ehkä kiinnostavin, koska se mahdollistaa pidemmän ilmakehänvirtauspuolen sisällyttämisen saman pyörivän alueen sisään kuin suorapuolisella moottorilla, mikä siten kierrättää enemmän tuulta ja parantaa tehokkuutta.

Muita tuulimoottorimalleja

Vaikka enimmäkseen tuuliturbiinit kuuluvat näihin kahden pääluokan (pystyakseli ja vaakaaakseli) alle, on olemassa monia kokeellisia suunnitelmia, jotka poikkeavat näiden kahden mallin perinteisestä konfiguraatiosta.

Tuuli-puu

‘Tuuli-puu’, jonka rakensi Pariisin perustama yritys New World Wind, perustuu Savonius-pystyakseliturbiiniin, mutta se on uudenlainen siinä, että se käyttää monia pieniä turbiineja, jotka ovat järjestettyjä niin, että ne näyttävät puun lehtien kaltaisilta, mikä tekee siitä kauniin kaupunkikeskuksen elementin.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless on espanjalainen yritys, joka on hyödyntänyt täysin erilaista menetelmää tuulen liikemäärän muuntamiseksi energiaksi. Heidän ”turbiininsa” ei näytä ollenkaan perinteiseltä turbiinilta, koska se ei pyörrä.

Vortex Bladeless-järjestelmä käyttää korkeaa, pylväsmuotoista hävistettä, joka vedostaa energiaa tuulesta tekniikan avulla, jota kutsutaan vorteksisuhteiseksi resonanssiin. Kun tuuli kulkee hävien vieressä, se aiheuttaa häviössä takana olevaa hajautusta, mikä saa hävitsen värähtämään tai 'vibroimaan' sivuikseen, ja tämä mekaaninen energia ajaa lineaarisen vaihtimen, joten se tuottaa sähkövirtaa.

Koska niillä ei ole pyörivää läppää, tämä tyyppi tuulenergiageneraattoreista ei aiheuta vaaraa muuttaviille lintuille tai metsälintuisille.

Ajoneuvonohjaimet Tuuleturbiinit

Useat yritykset ovat alkanut kehittämään pienmittaisia pystyakselin tuuleturbiineja, jotka voidaan asentaa moottoritien keskelle. Niitä ei pyöritä 'luonnollisella' tuulella, vaan nopeasti kulkevien ajoneuvojen aiheuttama hajahtelu pyörittää näitä turbiineja. Siksi, vaikka ne ovat edelleen perinteisiä pystyakselin tuuleturbiineja, uutta on tilanne, johon niitä sovelletaan.

Ristiakselinen tuuliturbini (CAWT)

Ristiakselinen tuuliturbini on kokeellinen pystyakselinen turbiinimalli, joka käyttää sekä vaakasuoria että pystysuoria turbiinilehtiä uudenlaisten ristiin kytkettyjen konfiguraatioiden avulla. Kolmen pystysuoran ja kuusi vaakasuoran lehden avulla se voi kiinnittää tuulen energiata molemmin suunnista, vaakasuorasta ja pystysuorasta. Tutkimukset osoittivat sen olevan 2,5 kertaa tehokkaampi kuin perinteinen pystyakselinen turbiini samassa tuulen tilassa.

Jäähdytyskattilointuri

Tämä malli ehdottaa uutta Darrieus-pystyakselisen tuuliturbiinin asennusta, joka on suunnattu vaakatasoon ja sijoitettu jäähdytyskattilojen huipulle. Ylöspäin kulkeva ilmavirta, joka johtuu tornin poistoilmasta eikä hukkaudu ilmakehään, käytetään turbiinin ajaminen.