Vrste Vjetrenih Turbina HAWT, VAWT i Više Objasnjenih

Najveći broj vjetroelektrostatove koje se vide u okolici na vjetroelektrana (i kopneno i pomorski) su standardni 3-ljubičasti dizajni. Međutim, postoji nekoliko različitih stilova/vrsta turbine i način na koji izvode kinetičku energiju iz vjetra je dosta drugačiji.

Dvije glavne vrste vjetrogenez su horizontalna os i vertikalna os. Vjetroelektrane s horizontalnom osi imaju rotirajuću os usmjerenu vodoravno. Tipično imaju 3 ljubca i dizajnirane su da gledaju prema vjetru. Vjetrogene s vertikalnom osi imaju rotirajuću os usmjerenu okomito i dizajnirane su za hranjenje kinetičkom energijom u suprotnom smjeru.

Osim vjetrogenez s horizontalnom i vertikalnom osi postoje i druge varijacije turbine koje vrijedi istražiti.

Najčešći tip vjetrogreda je 'Horizontalni Osi Vjetrogred'. Naziva se horizontalnim osjem jer se rotirajuca os nalazi horizontalno (vidi dijagram, ispod).

Horizontalni osovi vjetrogredi moraju biti usmjereni izravno protiv vjetra kako bi radili s maksimalnom učinkovitosti, a cijela glava je dizajnirana da se okreće kako bi se usmjerila protiv vjetra. Kada se smjer vjetra promijeni, glava mora se okrenuti (ili 'zagrijati') kako bi ostala usmjerena protiv vjetra.

Horizontalni osovi vjetrogredi odabiru se za obalne vjetrogradove i kontinentalne vjetrograde na terenima koji su uglavnom ravni i otvoreni, jer rade efikasnije od vertikalnih osovih vjetrogreda u područjima gdje vjetar nije turbulentan.

Izgrađen za veličinu

Iako postoji mnogo malih vjetrogena s horizontalnom osi komercijalno dostupnih za domaćinje koji su svjesni energije, jedan od njihovih velikih prednosti je što se dobro skaliraju za proizvodnju i mogu biti IZGRADITI VEOMA VELIKIM. To je još jedan razlog zašto se koriste u vjetrogradskim farmama. Mnogo je ekonomičnije izgraditi i održavati jedan 10 megavatni (MW) vjetrogen nego pet 2 MW vjetrogena.

Najveći vjetrogen na svijetu (kraj ljeta 2021.) je Vestas V236 vjetrogen, s nominalnim izlaznom snagom od 15 megavata (MW). Tornjački promjer rotora iznosi 236m - više od dvostruke visine Statue of Liberty! Jedna jedina rotacija njegovih tornjački će pružiti dovoljno električne energije da opskrbi prosječnu kućanstvu tijekom dana.

Vjetroelektrane s vertikalnom osi

Manje učinkovit i manje rasprostranjen vjetrogen je 'Vjetrogen s vertikalnom osi'. Naziva se vertikalnom osi jer je rotirajuća os usmjeren vertikalno prema gore.

Nije moguće izgraditi turbine s vertikalnom osi u velikim razmjerima poput onih koje vidimo na farmama vjetroplovih turbine s horizontalnom osi. Najveća ikada izgrađena turbina s vertikalnom osi bila je 110 metara visoka, 3,8MW "ÉOLE" turbina u Quebecku, Kanada. Međutim, nosač rotora je pukao 1993. godine pod težinom od 880 tona koju je morao podržati. Od tada nije operativna i sada je zanimljivost za turiste. Vrlo je malovjerojatno da će netko pokušati izgraditi turbINU s vertikalnom osi veću od ove zbog inženjerskih problema povezanih s neposrednim nosenjem takvih teških težina na jednom nosaču.

Izgrađeno za fleksibilnost

Iako su manje, glavni predak turbine s vertikalnom osi nad onima s horizontalnom osi jest što se ne moraju okrećati. Sobe vjetroenergetsku energiju iz svih smjerova stalno. Zbog načina na koji su dizajnirane ljuske, uvijek se vrtuju u istom smjeru, bez obzira odakle puha vjetar.

To čini vertikalne osi vjetrovo turbine boljim u hvatanju vjetarske energije na krovovima u gradovima i u područjima s izgrađenim prostorima, gdje je turbulentni vjetar stalno promjenljiv.

Vjetroelektrane s vertikalnom osi zahtijevaju manje mjesta od ekvivalentne moćne horizontalne osi turbine, i često se biraju za područja gdje je ograničeno prostora.

Različiti tipovi VAVT-a

Postoji dva glavna dizajna vertikalne osi vjetrovih turbine, poznata kao Savonius i Darrieus. Ovi dizajni su dosta različiti u načinu kako hvate vjetarsku energiju.

Savonius VAVT-ovi

Vjetroslučajnici vertikalne ose Savonius tipa koriste princip upora kako bi pretvorili energiju vjetra u mehaničku rotacijsku energiju. Radaju poput kašika, oblika da uhvate vjetar koji ulazi u vjetroslučajnicu, stvarajući upor i time je prisiljavajući na rotaciju (vidi dijagram, ispod). Bez obzira s kojeg smjera puha vjetar, uvijek će pogoditi i prednju i zadnju stranu kašika – ali zakrivljena zadnja strana kašika stvara manji upor, čime se omogućuje rotacija vjetroslučajnice. Međutim, to znači da vjetroslučajnica vertikalne ose Savonius tipa može pretvoriti najviše 15% energije vjetra u mehaničku rotacijsku energiju.

Darrieus VAWTs

Darrieus vertikalni osni vjetrovojni turbine koriste načelo podizanja kako bi pretvorili energiju vjetra u mehaničku rotacijsku energiju, i to su učinkovitije od Savonius tipa vertikalnih osnih turbine. Darrieus vertikalne osne vjetrovojne turbine koriste lopice koje imaju presjek oblika poput krila letjelice. Kada prolazi vjetar preko lopice, aerofoilski efekt stvara podizanje, a to je ono što rotira turbinu (vidi dijagram ispod).

Aerofoil lopice Darrieus turbine mogu biti ili ravne, zakrivljene ili helikoidalne oblike (vidi dijagram ispod).

To su sve Darrieus turbine – rotor lopice su iste aerofoilske konstrukcije za stvaranje podizanja, ali u različitim konfiguracijama.

Helikoidalna konfiguracija je možda najzanimljivija, jer omogućuje da se duža aerofoil lopica sadrži unutar iste rotacijske površine kao i pravolinijska turbine, time uhvaćujući više vjetra i povećavajući učinkovitost.

Ostali dizajni turbine

Dok većina vjetrogrednih turbine spada u ove dvije glavne kategorije (vertikalna os i horizontalna os), bilo je različitih eksperimentalnih dizajna koji se odmaknu od obične konfiguracije ovih dvaju dizajna.

Vjetarsko drvo

‘Vjetarsko drvo’ izgrađeno od strane pariskog poduzeća New World Wind bazira se na Savoniusovoj vertikalnoj osi vjetrogredne turbine, ali je novatorski u tome što koristi mnoge male turbine raspoređene tako da izgledaju kao lišće na stablu kako bi stvorili dekorativnu urbanu značajku.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless je špansko poduzeće koje je iskoristilo potpuno drugačiji način izvlačenja kinetičke energije iz vjetra. Njihova ‘turbina’ uopće ne izgleda kao obična turbina, jer se ne okreće.

Sustav Vortex Bladeless koristi visok, stubasti majstil, koji izvlači energiju iz vjetra pomoću tehnike poznate kao vrtložno-izazvana rezonanca. Kada prolazi kroz stub, uzrokuje se turbulentnost iza njega, što uzrokuje da se stub titra ili 'vibrira' naprijed i natrag, a upravo je ova mehanička energija koja pogoni linearni alternator, time generirajući električni struj.

Kako nemaju rotirajuće lopte, ovaj način proizvodnje vjetroenergije ne predstavlja opasnost za migrirajuće ptice ili divlju prirodu.

Turbine pogone vozilima

Nekoliko tvrtki je započelo razvoj malih vertikalnih osnih turbine koje se mogu postaviti u središnji dijel cesta i autocesta. Umjesto da ih pogonjuje 'prirodan' vjetar, to je turbulentnost uzrokovana stalnim tokom vozila koja prolaze visok brzinom i rotiraju te turbine. Dakle, iako su još uvijek konvencionalne vertikalne osne turbine, novost je situacija u kojoj se primjenjuju.

Vjetrovojačka turbina s prečnom osi (CAWT)

Vjetrovojačka turbina s prečnom osi je eksperimentalni dizajn vertikalne osovine turbine koji koristi i horizontalne i vertikalne turbinske lopove u inovativnoj prepletenoj konfiguraciji. S tri vertikalna i šest horizontalnih lopova, može prikupljati vjetrovu energiju koja dolazi iz oba smjera - horizontalnog i vertikalnog. Studije su pronašle da je 2,5 puta učinkovitija od konvencionalne vertikalne osovine turbine u istim uvjetima vjetrova.

Hlađajuća tornja sa gornjom turbino

Ovaj dizajn predlazi novu konfiguraciju Darrieusove vertikalne osovine vjetrovojačke turbine, orijentirane horizontalno i smještene na vrhu hlađajućih tornjeva. Gornji tok iz otapanog zraka iz tornja, umjesto što se izgubi u atmosferu, koristi se za vođenje turbine.