Szélenergia-turbínák típusai HAWT, VAWT és több mást magyarázva

A nagy többség szélturbinák a vidéken található szélparkokon (mind a kontinentális, mind a tengeri) látható turbínák standard 3-lapú tervezésűek. Azonban számos különböző stílusú/típusú turbínák léteznek, és azáltal, hogy milyen módon használják ki a szél kinetikus energiáját, teljesen mások.

A két fő típusú szélenergia-turbínak a vízszintes tengelyű és a függőleges tengelyű. Vízszintes tengelyű szélenergia-turbínák vízszintesen orientálva van a forgó tengelyük. Általánosan 3 lapjuk van, és úgy vannak tervezi, hogy szembenézzenek a szél irányával. A függőleges tengelyű szélenergia-turbínák függőlegesen igazított forgó tengelyt bírnak, és úgy vannak tervezve, hogy kinetikus energiát bocsásson más irányba.

A vízszintes és függőleges tengelyű szélenergia-turbínák mellett más változatok is vannak, amelyek érdemesek megvizsgálni.

A leggyakoribb szélcsapdáját a 'Vízszintes Tengelyű Szélcsapdának' nevezzük. Vízszintes tengelyről beszélünk, mivel a forgó tengely vízszintesen helyezkedik el (lásd ábrát, lentebb).

A vízszintes tengelyű szélcsapdák maximális hatékonysággal akkor működnek, ha közvetlenül a szél irányába mutatnak, és az egész fej tervezték úgy, hogy elforduljon a szél irányába. Amikor a szél iránya megváltozik, a fej is elforgatkozni (vagy 'törékenyedni') kell, hogy folytonosan a szélbe nézzen.

A vízszintes tengelyű szélcsapdákat offshore szélenergia-parkokban és inland szélenergia-parkokban választják, ahol a föld nagyrészt sík és nyitott, mivel hatékonyabban működnek, mint a függőleges tengelyű csapdák a olyan területeken, ahol a szél nem turbulens.

Teremtve a méret miatt

Bár rengeteg kereskedelmi kínálatú kis méretű vízszintes tengelyű szélenergiáturbina áll rendelkezésre az energiaéreztetett otthoni tulajdonosok számára, egyik nagy előnyük, hogy jól skálázhatóak a gyártás során és nagyon NAGYOKKÁ építhetők. Ez egy másik ok, ami miatt őket használják szélparkokban. Sokkal költség hatékonyabb egy 10 megawatt (MW) turbina építése és üzemeltetése, mint öt 2 MW-es turbinának.

A világ legnagyobb turbinája (2021 nyarai adatok alapján) a Vestas V236 turbin, melynek 15 megawatt (MW) a teljesítménye. A lógó rotor átmérője 236 méter – amely több mint kétszerese a Szabadság-szobor magasságának! A lógóinak egyetlen forgása elég elektromos energiát termel egy átlagos családnapra.

Függőleges tengelyű szélenergiáturbínók

Egy kevésbé hatékony és kevésbé terjedelmesebb turbinatípus a 'Függőleges Tengelyű Szélenergiáturbina'. Függőleges tengelyről beszélünk, mivel a forgó tengely függőlegesen van igazítva.

Nem lehetséges olyan nagyméretű függőleges tengelyű szellősturbínak építeni, amilyeneket a vízszintes tengelyű szellősturbínakertartókban látunk. A legnagyobb valaha épített függőleges tengelyű szélenergiaturbina az 110 méter magas, 3,8MW-os „ÉOLE” turbina volt, amelyet Kanada, Québec-ban építettek. Azonban a rotor törzse 1993-ban meghiúsult a támogatnia kellett 880 tonna súlytól. Óváig nem működött, és mostmár csodára vált a turisták számára. Nagyon kisebb valószínűséggel fog valaki nagyobb függőleges tengelyű turbínát építeni ennél, miattuk a mérnöki problémák, amelyekkel közvetlenül kapcsolatosan kell ilyen nehézségeket egyetlen bársonynál támogatni.

Gyenge rugalmasság építésére

Bár kisebbek, a függőleges tengelyű szellősturbínák fő előnye a vízszintes tengelyűekkel szemben az, hogy nem kell forduljuk. Minden irányból érkező szélenergiát mindig gyűjtnek. A lógók tervezésének köszönhetően mindig ugyanabban az irányban forognak, függetlenül attól, hogy honnan esik a szél.

Ez teszi a függőleges tengelyű szélenergiáturbínókat jobbaké, hogy városi tetők és építkezett területeken kapják meg a szélenergiát, ahol a zavaros szél mindig változik irányban.

Függőleges tengelyű szélenergiáturbínók kevesebb helyet foglalnak el, mint egy ekvivalens teljesítményű vízszintes tengelyű turbin, és gyakran választják azokat a területeket, ahol korlátozott a tér.

Különböző VAWT típusok

Léteznek két fő típusú függőleges tengelyű szélenergiáturbínó, a Savonius és a Darrieus. Ezek a tervek nagyon eltérőek abban, hogyan takarítják ki a szélenerгиát.

Savonius VAWT

A Savonius típusú függőleges tengelyű szélenergiáturbínák a huzat elve alapján konvertálják a szélenergiát mechanikai forgási energiává. Mint egy kancsó működnek, amelyet úgy alakítottak, hogy felkapja a turbinába érkező szélét, létrehozva huzatot, ami rákényszeríti a forgást (lásd ábrát, lentebb). Függetlenül attól, hogy milyen irányból érkezik a szél, mindig eltalálja a kancsó ele és hátulját – de a kancsó kerek háta kevesebb huzatot okoz, így lehetővé teszi a turbinának a forgást. Azonban ez azt jelenti, hogy egy Savonius függőleges tengelyű szélenergiáturbina legfeljebb 15%-ot tud maximálisan konvertálni a szélenergiából mechanikai forgási energiává.

Darrieus VAWTs

A Darrieus típusú függőleges tengelyű szélcsapda emelési erő elve alapján konvertálja a szélenergiát mechanikai forgási energiává, és hatékonyabb, mint a Savonius típusú függőleges tengelyű szélcsapda. A Darrieus függőleges tengelyű szélcsapda olyan lapokat használ, amelyeknek a keretük egy repülőgép szárnyaival megegyezik. Ahogy a szél áthalad a lapon, az aerodinamikai hatás létrehozza az emelést, és ez fordítja a turbinát (lásd ábrát, lentebb).

A Darrieus turbinák aerodinamikai lapjai egyenesek, görbék vagy helikoidálisak lehetnek (lásd ábrát, lentebb).

Ezek mind Darrieus turbinák – a rotorlapok ugyanazok az emelést generáló profilok, de különböző konfigurációkban.

A helikoidális konfiguráció talán a legérdekesebb, mivel lehetővé teszi egy hosszabb aerodinamikai lapot ugyanabban a forgási területen tartalmazni, mint egy egyenes-lapú turbinánál, így több szélt kap, és növeli a hatékonyságot.

Egyéb Turbinatervek

Mivel a legtöbb szélenergiáturbina ezekben a két fő kategóriában helyezkedik el (függőleges tengelyű és vízszintes tengelyű), többféle kísérleti tervezet jött létre, amely eltér az ezek két tervezet általános konfigurációjától.

A Szél Fa

A ‘Szél Fa’ egy Párizs alapú New World Wind cég által épített Savonius típusú függőleges tengelyű szélenergiáturbina, de újító abban, hogy sok kis turbinát használ, amelyeket fa leveleihez hasonlóan rendeznek el, hogy díszítő városi elemet hozzanak létre.

Vortex Bladeless

A Vortex Bladeless spanyol cég teljesen más módot használt a szél kinetikus energiájának kiemelésére. A „turbinájuk” nem néz ki konvencionális turbínaként, mivel nemforgal.

A Vortex Bladeless rendszer egy magas, oszlop alakú mást használ, amely energia-t termel a szélből a szóképzett vízsgálatos rezonancia eljárás segítségével. Ahogy a szél áthalad az oszlopon, zavarokat okoz mögött, amiért az oszlop rezgésbe vagy ‘csipogásba’ kerül elő és vissza, és éppen ez a mechanikai energia hajtja a lineáris alternátort, így elektromos áramot termelve.

Mivel nincsenek forgó lógók, ez a szélenergia-generátor típus nem veszélyezteti a migrációs madarakat vagy a divatvilágot.

Jármű-meghajtott Turbinák

Több céget indítottak fejlesztésre kis méretű függőleges tengelyű szélmotortorokat, amelyeket a közutak és autópályák középsávában helyezhetnek el. Nem a 'természetes' szél hajtja őket, hanem a konstans jármű-forgalom által okozott turbulencia, amely gyorsan haladva fordítja ezeket a turbinákat. Így tehát még mindig konvencionális függőleges tengelyű szélmotorként tekinthetők, újra alkalmazásuk helyzete jelentős.

Keresztirányú szélenergiaturbina (CAWT)

A keresztirányú szélenergiaturbina egy kísérleti függőleges tengelyű turbínatervezet, amely új típusú, keresztben kapcsolt konfigurációban mind vízszintes, mind függőleges turbinalemezeket használ. Három függőleges és hat vízszintes lappal képes felvenni a vízszintes és függőleges irányból érkező szélergyét. Tanulmányok szerint 2,5-szer hatékonyabb volt ugyanolyan szélviszonyok között, mint a konvencionális függőleges tengelyű turbina.

Hűtőtorony-felhajtó turbina

Ez a tervezet egy új típusú Darrieus függőleges tengelyű szélenergiaturbínt javasol, amely vízszintesen van orientálva és a hűtőtoronyok tetején található. A toronyból kilépő levegő által termelt felhajtást nem hasznosítják el az atmoszférába, hanem a turbínt hajtják vele.