Vrste vjetroturbina HAWT, VAWT i više objašnjenja

Velika većina vjetroturbine vidljivi diljem okruga na vjetroelektranama (i na kopnu i na moru) su standardni dizajni s 3 lopatice. Međutim, postoji niz različitih stilova/vrsta turbina i način na koji one iskorištavaju kinetičku energiju vjetra prilično je različit.

Dvije glavne vrste vjetroturbina su horizontalne osi i vertikalne osi. Vjetroturbine s horizontalnom osi imati rotacijsku os usmjerenu vodoravno. Obično imaju 3 oštrice i dizajnirane su okrenute prema vjetru. Vjetroturbine s okomitom osi imaju rotirajuću os poravnatu okomito i dizajnirane su za iskorištavanje kinetičke energije u suprotnom smjeru.

Osim vjetroturbina s horizontalnom i vertikalnom osi, postoje i druge iteracije turbine koje vrijedi istražiti.

Najčešći tip vjetroturbine je 'Vjetroturbina s vodoravnom osi'. Naziva se vodoravnom osi jer rotirajuća os leži vodoravno (pogledajte dijagram dolje)

Vjetroturbine s vodoravnom osi moraju biti usmjerene izravno u vjetar kako bi radile s maksimalnom učinkovitošću, a cijela je glava dizajnirana tako da se okreće prema vjetru. Kako vjetar mijenja smjer, tako se i glava mora okrenuti (ili 'zakrenuti') kako bi ostala usmjerena prema vjetru.

Vjetroturbine s vodoravnom osi biraju se za vjetroelektrane na moru i vjetroelektrane na kopnu gdje je zemljište uglavnom ravno i otvoreno, jer rade učinkovitije od turbina s okomitom osom u područjima gdje vjetar nije turbulentan.

Izgrađen za veličinu

Iako postoji mnogo malih vjetroturbina s horizontalnom osi komercijalno dostupnih za energetski osviještene vlasnike domova, jedna od njihovih velikih prednosti je to što su pogodne za proizvodnju i mogu se izgraditi VRLO VELIKE. To je još jedan razlog zašto se koriste za vjetroelektrane. Mnogo je isplativije izgraditi i upravljati jednom turbinom od 10 megavata (MW) nego pet turbina od 2 MW.

Najveća vjetroturbina na svijetu (od ljeta 2021.) je turbina Vestas V236, s nazivnom izlaznom snagom od 15 megavata (MW). Ima promjer lopatice rotora od 236 m – više nego dvostruko više od visine Kipa slobode! Jedna jedina rotacija njegovih noževa osigurat će dovoljno električne energije za rad prosječnog kućanstva za jedan dan.

Vjetroturbine s okomitom osi

Manje učinkovita i manje uobičajena turbina je 'Vjetroturbina s okomitom osi'. Naziva se okomitom osi jer je rotirajuća os usmjerena okomito prema gore.

Nije moguće izgraditi turbine s vertikalnom osi u velikim razmjerima koje vidimo u vjetroelektranama s turbinama s horizontalnom osom. Najveća vjetroturbina s okomitom osi ikada izgrađena bila je 110 m visoka, 3.8 MW “ÉOLE” turbina u Quebecu, Kanada. Međutim, ležaj rotora je otkazao 1993. pod težinom od 880 tona koju je morao nositi. Od tada nije u funkciji, a sada je kuriozitet za turiste. Malo je vjerojatno da će itko pokušati izgraditi turbinu s vertikalnom osi veću od ove zbog inženjerskih problema povezanih s izravnim držanjem tako velikih utega na jednom ležaju.

Napravljen za fleksibilnost

Iako manje, glavna prednost koju vjetroturbine s okomitom osi imaju u odnosu na horizontalnu os je to što ne moraju zakretati. Cijelo vrijeme prikupljaju energiju vjetra sa svih strana. Zbog načina na koji su lopatice dizajnirane, one se uvijek vrte u istom smjeru, bez obzira odakle vjetar dolazi.

To čini vjetroturbine s okomitom osi boljim u hvatanju energije vjetra u gradskim krovovima i izgrađenim područjima gdje turbulentni vjetar cijelo vrijeme mijenja smjer.

Vjetroturbine s okomitom osi zauzimaju manje prostora od turbine s vodoravnom osi ekvivalentne snage i često se biraju za područja gdje je prostor ograničen.

Različite vrste VAWT-ova

Postoje dva glavna dizajna vjetroturbina s vertikalnom osi, nazvana Savonius i Darrieus. Ovi dizajni su prilično različiti u načinu na koji hvataju energiju vjetra.

Savonius VAWTs

Vjetroturbine Savoniusovog stila s okomitom osi koriste princip otpora za pretvaranje energije vjetra u mehaničku rotacijsku energiju. Rade poput lopatice, oblikovane tako da zarobe vjetar koji ulazi u turbinu, stvarajući otpor i tako je tjerajući da se okreće (vidi dijagram dolje). Bez obzira iz kojeg smjera vjetar dolazi, uvijek će pogoditi i prednji i stražnji dio lopatice – ali zaobljeni stražnji dio lopatice stvara manje otpora, čime se omogućuje rotacija turbine. Međutim, to znači da Savoniusova vjetroturbina s okomitom osi može pretvoriti samo 15% energije vjetra u mehaničku rotacijsku energiju.

Darrieus VAWTs

Vjetroturbine s vertikalnom osi Darrieus koriste princip uzgona za pretvaranje energije vjetra u mehaničku rotacijsku energiju i učinkovitije su od turbina s vertikalnom osi u stilu Savonius. Vjetroturbine s vertikalnom osi Darrieus koriste lopatice koje imaju poprečni presjek u obliku krila aviona. Kako vjetar prelazi preko lopatice, efekt aeroprofila stvara uzgon, a to je ono što rotira turbinu (vidi dijagram dolje).

Aeroprofilne lopatice Darrieusove turbine mogu biti ravne, zakrivljene ili spiralnog oblika (vidi dijagram dolje).

Sve su to Darrieusove turbine – sve su lopatice rotora ista aeroprofila koja stvaraju uzgon, ali u različitim konfiguracijama.

Spiralna konfiguracija je možda najzanimljivija, budući da omogućuje da duža lopatica aeroprofila bude sadržana unutar istog rotacijskog područja kao turbina s ravnim lopaticama, čime se hvata više vjetra i povećava učinkovitost. 

Ostali dizajni turbina

Dok većina vjetroturbina spada u ove dvije glavne kategorije (vertikalna os i vodoravna os), postoje različiti eksperimentalni dizajni koji se odmiču od normalne konfiguracije ova dva dizajna.

Drvo vjetra

'Stablo vjetra' koje je izgradila tvrtka New World Wind sa sjedištem u Parizu, temelji se na Savonius vjetroturbini s vertikalnom osi, ali je novina jer koristi mnogo malih turbina koje izgledaju poput lišća na drvetu kako bi napravile ukrasnu urbanu značajku .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless je španjolska tvrtka koja je koristila potpuno drugačiju metodu za izvlačenje kinetičke energije iz vjetra. Njihova “turbina” uopće ne izgleda kao obična turbina jer se ne okreće.

Sustav Vortex Bladeless koristi visoki jarbol u obliku stupa, koji izvlači energiju iz vjetra pomoću tehnike koja se zove rezonancija izazvana vrtlogom. Kako vjetar prolazi pokraj stupa, iza sebe izaziva turbulencije, koje uzrokuju osciliranje ili 'vibriranje' stupa naprijed-natrag, a ta je mehanička energija ta koja pokreće linearni alternator, stvarajući tako električnu struju.

Budući da nemaju rotirajuće lopatice, ovaj stil vjetrogeneratora ne predstavlja opasnost za ptice selice ili divlje životinje.

Turbine koje pokreću vozila

Brojne tvrtke počele su razvijati male vjetroturbine s vertikalnom osi koje se mogu smjestiti u središnje rezervate autocesta i autocesta. Umjesto da ih pokreće 'prirodni' vjetar, ove turbine okreću turbulencije uzrokovane stalnim protokom vozila koja prolaze velikom brzinom. Dakle, iako su to još uvijek konvencionalne vjetroturbine s vertikalnom osi, situacija na koju se primjenjuju je nova.

Vjetroturbina s poprečnom osovinom (CAWT)

Vjetroturbina s poprečnom osi eksperimentalna je konstrukcija turbine s okomitom osi koja koristi i vodoravne i okomite lopatice turbine u novoj umreženoj konfiguraciji. S tri okomite lopatice i šest vodoravnih lopatica, može uhvatiti energiju vjetra koja dolazi iz vodoravnog i okomitog smjera. Istraživanja su pokazala da je 2.5 puta učinkovitiji od konvencionalne turbine s vertikalnom osi u istim uvjetima vjetra.

Uzlazna turbina rashladnog tornja

Ovaj dizajn predlaže novu konfiguraciju Darrieusove vjetroturbine s vertikalnom osi, vodoravno orijentirane i smještene na vrhu rashladnih tornjeva. Uzlazno strujanje iz protoka ispušnog zraka iz tornja, umjesto da se rasipa u atmosferu, koristi se za pogon turbine.