A szélturbinák típusai HAWT, VAWT és további magyarázatok

A szélturbinák A megyében a szélerőműveken (parti és off-shore egyaránt) szabványos 3 lapátos kivitelek találhatók. Azonban számos különböző stílusú/típusú turbina létezik, és a szél kinetikus energiájának hasznosításának módja egészen más.

A szélturbinák két fő típusa a vízszintes és a függőleges tengelyű. Vízszintes tengelyű szélturbinák a forgó tengelyt vízszintesen kell irányítani. Általában 3 lapáttal rendelkeznek, és úgy tervezték, hogy a széllel szemben álljanak. A függőleges tengelyű szélturbinák forgástengelye függőlegesen van beállítva, és úgy tervezték, hogy a kinetikus energiát az ellenkező irányban hasznosítsák.

A vízszintes tengelyű és függőleges tengelyű szélturbinákon kívül a turbinának vannak más iterációi is, amelyeket érdemes megvizsgálni.

A szélturbinák leggyakoribb típusa a „vízszintes tengelyű szélturbina”. Vízszintes tengelynek nevezik, mivel a forgó tengely vízszintesen fekszik (lásd az alábbi ábrát)

A vízszintes tengelyű szélturbináknak közvetlenül a szélbe kell mutatniuk, hogy maximális hatékonysággal működjenek, és az egész fej úgy van kialakítva, hogy a szél felé forduljon. Ahogy a szél irányát változtatja, a fejnek el kell fordulnia (vagy 'elfordulnia'), hogy a szél felé mutasson.

A vízszintes tengelyű szélturbinákat tengeri szélerőművekhez és szárazföldi szélerőművekhez választják, ahol a föld nagyrészt sík és nyílt, mivel hatékonyabban működnek, mint a függőleges tengelyű szélturbinák olyan területeken, ahol a szél nem turbulens.

Méretre építve

Bár rengeteg kisméretű vízszintes tengelyű szélturbina kapható a kereskedelemben az energiatudatos lakástulajdonosok számára, az egyik nagy előnyük, hogy jól méretezhetők a gyártáshoz és NAGYON NAGYRA építhetők. Ez egy másik oka annak, hogy szélerőművekhez használják őket. Sokkal költséghatékonyabb egy 10 megawattos (MW) turbinát építeni és üzemeltetni, mint öt 2 MW-os turbinát.

A világ legnagyobb szélturbinája (2021 nyarán) a Vestas V236 turbina, 15 megawatt (MW) névleges teljesítménnyel. A lapát rotor átmérője 236 méter – ez több mint kétszerese a Szabadság-szobor magasságának! A pengék egyetlen forgatása elegendő áramot biztosít egy átlagos háztartás egy napos működtetéséhez.

Függőleges tengelyű szélturbinák

Egy kevésbé hatékony és kevésbé elterjedt turbina a „függőleges tengelyű szélturbina”. Függőleges tengelynek nevezik, mivel a forgó tengely függőlegesen felfelé van beállítva.

Nem lehet függőleges tengelyű turbinákat építeni olyan nagy léptékben, mint a vízszintes tengelyű turbinás szélerőműveknél. A valaha épített legnagyobb függőleges tengelyű szélturbina a 110 méter magas, 3.8 MW-os „ÉOLE” turbina volt Quebecben, Kanadában. A forgórész csapágya azonban 1993-ban meghibásodott a 880 tonnás tömeg alatt. Azóta nem üzemel, és ma már a turisták érdekessége. Nagyon valószínűtlen, hogy valaki megpróbálna ennél nagyobb függőleges tengelyű turbinát építeni, mivel az ilyen nehéz súlyok egyetlen csapágyon való közvetlen megtámasztásával kapcsolatos műszaki problémák miatt.

Rugalmasságra készült

Bár kisebbek, a függőleges tengelyű szélturbinák fő előnye a vízszintes tengellyel szemben, hogy nem kell elfordulniuk. Mindig minden irányból gyűjtik a szélenergiát. A lapátok kialakításának köszönhetően mindig ugyanabba az irányba forognak, függetlenül attól, hogy honnan fúj a szél.

Ezáltal a függőleges tengelyű szélturbinák jobban rögzítik a szélenergiát a városi háztetőkön és olyan beépített területeken, ahol a viharos szél folyamatosan változtatja az irányt.

Függőleges tengelyű szélturbinák kevesebb helyet foglalnak el, mint egy azonos teljesítményű vízszintes tengelyű turbina, és gyakran olyan területekre választják, ahol korlátozott a hely.

Különböző típusú VAWT-k

A függőleges tengelyű szélturbináknak két fő kialakítása létezik, ezek a Savonius és a Darrieus. Ezek a kialakítások egészen más módon rögzítik a szélenergiát.

Savonius VAWT-k

A Savonius stílusú függőleges tengelyű szélturbinák a légellenállás elvét használják a szélenergia mechanikus forgási energiává alakítására. Úgy működnek, mint egy gombóc, úgy alakítják ki, hogy elfogják a turbinába belépő szelet, ellenállást keltve, és így forgásra kényszerítik (lásd az ábrát lent). Függetlenül attól, hogy melyik irányból fúj a szél, mindig a kanál elejét és hátulját is eléri – de a lapát lekerekített hátulja kisebb ellenállást eredményez, ezáltal lehetővé teszi a turbina forgását. Ez azonban azt jelenti, hogy egy Savonius függőleges tengelyű szélturbina legfeljebb a szélenergia 15%-át tudja mechanikus forgási energiává alakítani.

Darrieus VAWTs

A Darrieus függőleges tengelyű szélturbinák az emelés elvét alkalmazzák a szélenergia mechanikus forgási energiává történő átalakítására, és hatékonyabbak, mint a Savonius stílusú függőleges tengelyű turbinák. A Darrieus függőleges tengelyű szélturbinák olyan lapátokat használnak, amelyek keresztmetszete egy repülőgép szárnyához hasonló. Ahogy a szél áthalad a lapáton, a légszárny hatás emelést hoz létre, és ez forgatja a turbinát (lásd az ábrát lent).

A Darrieus-turbinák szárnylapátjai lehetnek egyenesek, ívek vagy spirális alakúak (lásd az alábbi ábrát).

Ezek mind Darrieus turbinák – a rotorlapátok mind ugyanazok az emelőszárnyak, de különböző konfigurációkban.

A spirális elrendezés talán a legérdekesebb, mivel lehetővé teszi, hogy egy hosszabb szárnylapátot ugyanazon a forgási területen belül tartsanak, mint egy egyenes lapátú turbinát, ezáltal nagyobb szelet fog fel és növeli a hatékonyságot. 

Egyéb turbinatervek

Míg a szélturbinák többsége ebbe a két fő kategóriába (függőleges tengely és vízszintes tengely) tartozik, különböző kísérleti tervek születtek, amelyek eltérnek e két kialakítás normál konfigurációjától.

A Szélfa

A párizsi székhelyű New World Wind cég által épített "szélfa" egy Savonius függőleges tengelyű szélturbinán alapul, de újszerű abban, hogy sok kis turbinát használ, amelyek úgy vannak elrendezve, mint egy fa levelei, és dekoratív városi elemet alkotnak. .

Vortex Bladeless

A Vortex Bladeless egy spanyol cég, amely teljesen más módszert alkalmazott a szél kinetikus energiájának kinyerésére. A „turbinájuk” egyáltalán nem úgy néz ki, mint egy hagyományos turbina, mivel nem forog.

A Vortex Bladeless rendszer egy magas, oszlop alakú árbocot használ, amely az örvény által kiváltott rezonancia technikával nyeri ki az energiát a szélből. Ahogy a szél elhalad az oszlopon, turbulenciát okoz mögötte, aminek hatására az oszlop ide-oda oszcillál vagy „rezeg”, és ez a mechanikai energia hajtja meg a lineáris generátort, így elektromos áramot generál.

Mivel nincs forgó lapátjuk, ez a típusú szélgenerátor nem jelent veszélyt a vándorló madarakra vagy a vadon élő állatokra.

Járműhajtású turbinák

Számos cég kezdett el kisméretű függőleges tengelyű szélturbinák fejlesztésébe, amelyek az autópályák és autópályák központi rezervátumába helyezhetők el. Ahelyett, hogy „természetes” szél hajtaná, a nagy sebességgel haladó járművek állandó áramlása okozta turbulencia forgatja ezeket a turbinákat. Tehát bár ezek még mindig hagyományos függőleges tengelyű szélturbinák, az a helyzet, amelyben alkalmazzák őket, újszerű.

Kereszttengelyű szélturbina (CAWT)

A kereszttengelyű szélturbina egy kísérleti függőleges tengelyű turbina-konstrukció, amely vízszintes és függőleges turbinalapátokat is használ új, térhálósított konfigurációban. Három függőleges lapáttal és hat vízszintes lapáttal képes felfogni a vízszintes és függőleges irányból érkező szélenergiát is. Tanulmányok kimutatták, hogy ugyanolyan szélviszonyok mellett 2.5-szer hatékonyabb, mint egy hagyományos függőleges tengelyű turbina.

Hűtőtorony felhajtó turbina

Ez a kialakítás egy Darrieus függőleges tengelyű szélturbina új konfigurációját javasolja, amely vízszintesen van elhelyezve és a hűtőtornyok tetején helyezkedik el. A toronyból kilépő levegőáram felfelé irányuló áramlását ahelyett, hogy a légkörbe pazarolnák, a turbina meghajtására használják.