הסבר על סוגי טורבינות רוח HAWT, VAWT ועוד

הרוב המכריע של טורבינות רוח שרואים ברחבי המחוז בחוות רוח (הן על החוף והן מחוץ לחוף) הם עיצובי 3 להבים סטנדרטיים. עם זאת, קיימים מספר סגנונות/סוגים שונים של טורבינות והדרך בה הן רותמות אנרגיה קינטית מהרוח שונה בתכלית.

שני הסוגים העיקריים של טורבינות רוח הם ציר אופקי וציר אנכי. טורבינות רוח בציר אופקי יש לכוון את הציר המסתובב אופקית. הם כוללים בדרך כלל 3 להבים ומיועדים לכיוון הרוח. לטורבינות רוח בציר אנכי יש את הציר המסתובב מיושר אנכית ונועדו לרתום אנרגיה קינטית בכיוון ההפוך.

מלבד טורבינות רוח ציר אופקי וציר אנכי יש איטרציות נוספות של הטורבינה שכדאי לחקור.

הסוג הנפוץ ביותר של טורבינת רוח הוא 'טורבינת רוח ציר אופקי'. הוא מכונה ציר אופקי מכיוון שהציר המסתובב נמצא אופקית (ראה תרשים למטה)

טורבינות הרוח בציר האופקי צריכות להצביע ישירות לתוך הרוח כדי לפעול ביעילות מירבית, וכל הראש נועד להסתובב מול הרוח. כשהרוח משנה כיוון, אז הראש חייב להסתובב (או 'להתפה') כדי להישאר מצביע אל הרוח.

טורבינות רוח בציר אופקי נבחרות עבור חוות רוח מהחוף וחוות רוח על החוף שבהן הקרקע שטוחה ופתוחה ברובה, מכיוון שהן פועלות ביעילות רבה יותר מטורבינות ציר אנכי באזורים בהם הרוח אינה סוערת.

בנוי לגודל

אמנם יש הרבה טורבינות רוח בקנה מידה קטן של ציר אופקי הזמינות מסחרית עבור בעלי בתים מודעים לאנרגיה, אבל אחד היתרונות הגדולים שלהן הוא שהן מתרחבות היטב לייצור וניתן לבנות אותן בגדול מאוד. זו סיבה נוספת לכך שהם משמשים לחוות רוח. זה הרבה יותר חסכוני לבנות ולהפעיל טורבינה אחת של 10 מגה וואט (MW) מאשר חמש טורבינות של 2 מגה וואט.

טורבינת הרוח הגדולה בעולם (נכון לקיץ 2021) היא טורבינת Vestas V236, עם הספק מדורג של 15 מגה וואט (MW). יש לו קוטר רוטור להב של 236 מטר - יותר מפי שניים מגובה פסל החירות! סיבוב אחד בודד של הלהבים שלו יספק מספיק חשמל כדי להפעיל משק בית ממוצע למשך יום.

טורבינות רוח בציר אנכי

טורבינה פחות יעילה ופחות נפוצה היא 'טורבינת רוח ציר אנכי'. זה מכונה ציר אנכי מכיוון שהציר המסתובב מיושר אנכית כלפי מעלה.

לא ניתן לבנות טורבינות ציר אנכי בקנה מידה גדול שאנו רואים בחוות רוח של טורבינות ציר אופקי. טורבינת הרוח האנכית הגדולה ביותר שנבנתה אי פעם הייתה טורבינת "ÉOLE" בגובה 110 מטר, 3.8MW בקוויבק, קנדה. אולם מיסב הרוטור כשל בשנת 1993 תחת המשקל של 880 טון שהיה עליו לתמוך. זה לא פעיל מאז, וכיום הוא קוריוז לתיירים. זה מאוד לא סביר שמישהו ינסה לבנות טורבינת ציר אנכי גדולה מזה בגלל הבעיות ההנדסיות הקשורות לתמיכה ישירה במשקלים כבדים כאלה על מיסב בודד.

נבנה לגמישות

למרות שהם קטנים יותר, היתרון העיקרי שיש לטורבינות רוח בציר אנכי על פני ציר אופקי הוא שהן אינן צריכות לפהק. הם אוספים אנרגיית רוח מכל הכיוונים כל הזמן. בגלל האופן שבו הלהבים מעוצבים, הם תמיד מסתובבים באותו כיוון, לא משנה מאיפה מגיעה הרוח.

זה הופך את טורבינות הרוח בציר אנכי טוב יותר בלכידת אנרגיית רוח בגגות העיר ובאזורים בנויים שבהם רוח סוערת משנה כיוון כל הזמן.

טורבינות רוח בציר אנכי תופסות פחות מקום מטורבינת ציר אופקי בעוצמה שווה, ולעתים קרובות נבחרות עבור אזורים שבהם המקום מוגבל.

סוגים שונים של VAWTs

ישנם שני עיצובים עיקריים של טורבינות רוח בציר אנכי, הנקראים Savonius ו-Darrieus. עיצובים אלה שונים למדי באופן שבו הם לוכדים את אנרגיית הרוח.

Savonius VAWTs

טורבינות רוח בציר אנכי בסגנון Savonius משתמשות בעקרון הגרירה כדי להמיר אנרגיית רוח לאנרגיה סיבובית מכנית. הם פועלים כמו סקופ, מעוצבים כדי ללכוד את הרוח הנכנסת לטורבינה, ליצור גרר ובכך לאלץ אותה להסתובב (ראה תרשים, להלן). לא משנה מאיזה כיוון מגיעה הרוח, היא תמיד תפגע גם בחזית וגם בחלק האחורי של הסקופ - אבל החלק האחורי המעוגל של הסקופ יוצר פחות גרר, ובכך מאפשר לטורבינה להסתובב. עם זאת, זה אומר שטורבינת רוח בציר אנכי של Savonius יכולה להמיר רק 15% מאנרגיית הרוח לאנרגיה סיבובית מכנית, לכל היותר.

Darrieus VAWTs

טורבינות רוח בציר אנכי של Darrieus משתמשות בעקרון העילוי כדי להמיר אנרגיית רוח לאנרגיה סיבובית מכנית, והן יעילות יותר מטורבינות ציר אנכי בסגנון Savonius. טורבינות רוח בציר אנכי של דאריאוס משתמשות בלהבים בעלי חתך בצורת כנף של מטוס. כשהרוח חולפת על הלהב, אפקט המטוס יוצר עילוי, וזה מה שמסובב את הטורבינה (ראה תרשים למטה).

להבי המטוס של טורבינת דאריאוס יכולים להיות ישרים, מעוקלים או סלילניים (ראה תרשים למטה).

כל אלה הן טורבינות דאריאוס - להבי הרוטור הם כולם אותם מטוסי תעופה היוצרים עילוי, אבל בתצורות שונות.

התצורה הסלילית היא אולי המעניינת ביותר, מכיוון שהיא מאפשרת להכיל להב מטוס ארוך יותר באותו אזור סיבובי כמו טורבינה בעלת להב ישר, ובכך ללכוד יותר מהרוח ולהגדיל את היעילות. 

עיצובי טורבינה אחרים

בעוד שרוב טורבינות הרוח נופלות תחת שתי הקטגוריות העיקריות הללו (ציר אנכי וציר אופקי), היו עיצובים ניסיוניים שונים שמתרחקים מהתצורה הרגילה של שני התכנונים הללו.

עץ הרוח

'עץ הרוח' שנבנה על ידי החברה פריזית New World Wind, מבוסס על טורבינת רוח בציר אנכי של Savonius, אך הוא חדשני בכך שהוא משתמש בטורבינות קטנות רבות המסודרות כדי להיראות כמו עלים על עץ כדי ליצור מאפיין אורבני דקורטיבי. .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless היא חברה ספרדית שהשתמשה בשיטה שונה לחלוטין להפקת אנרגיה קינטית מהרוח. ה"טורבינה" שלהם בכלל לא נראית כמו טורבינה רגילה, מכיוון שהיא לא מסתובבת.

מערכת Vortex Bladeless משתמשת בתורן גבוה בצורת עמוד, המפיק אנרגיה מהרוח באמצעות טכניקה הנקראת תהודה הנגרמת מערבולת. כשהרוח חולפת על פני העמוד, היא גורמת למערבולת מאחוריו, שגורמת לעמוד להתנדנד או 'לרטוט' קדימה ואחורה, ואנרגיה מכנית זו היא שמניעה אלטרנטור ליניארי, וכך מייצרת זרם חשמלי.

מכיוון שאין להם להבים מסתובבים, סגנון זה של מחולל רוח אינו מהווה סכנה לציפורים נודדות או לחיות בר.

טורבינות המונעות על ידי רכב

מספר חברות החלו לפתח טורבינות רוח בקנה מידה קטן עם ציר אנכי שניתן להציב בשמורה המרכזית של כבישים מהירים וכבישים מהירים. במקום להיות מונע על ידי רוח 'טבעית', הטורבולנציה הנגרמת מהזרם הקבוע של כלי רכב העוברים במהירות גבוהה היא שמסובב את הטורבינות הללו. לכן, למרות שהן עדיין טורבינות רוח קונבנציונליות בציר אנכי, המצב שהן מיושמות אליו הוא חדשני.

טורבינת רוח צולבת (CAWT)

טורבינת רוח צולבת היא תכנון ניסיוני של טורבינת ציר אנכי המשתמשת בלהבי טורבינה אופקיים ואנכיים בתצורה חדשנית מצולבת. עם שלושה להבים אנכיים ושישה להבים אופקיים, הוא יכול ללכוד אנרגיית רוח המגיעה מכיוונים אופקיים ואנכיים כאחד. מחקרים מצאו שהיא יעילה פי 2.5 מטורבינת ציר אנכי רגילה באותם תנאי רוח.

מגדל קירור טורבינת העלאה

עיצוב זה מציע תצורה חדשה של טורבינת רוח בציר אנכי של דאריאוס, מכוונת אופקית וממוקמת בראש מגדלי קירור. הזרימה העליונה מזרימת אוויר הפליטה מהמגדל, במקום מבוזבזת לאטמוספירה, משמשת להנעת הטורבינה.