Soorten windturbines HAWT, VAWT en meer uitgelegd

De overgrote meerderheid van windturbines te zien rond het land op windparken (zowel onshore als offshore) zijn standaard 3-bladen ontwerpen. Er bestaan echter een aantal verschillende stijlen/typen turbines en de manier waarop ze kinetische energie uit de wind gebruiken is vrij verschillend.

De twee hoofdtypes windturbines zijn horizontale as en verticale as. Horizontale-as windturbines hebben de rotatie-as horizontaal georiënteerd. Ze hebben meestal 3 bladen en zijn ontworpen om gericht te zijn naar de wind. Verticale-as windturbines hebben de rotatie-as verticaal uitgelijnd en zijn ontworpen om kinetische energie in de tegengestelde richting te benutten.

Naast horizontale-as en verticale-as windturbines zijn er andere varianten van de turbine die het waard zijn om verder onderzocht te worden.

De meest voorkomende type windturbine is de ‘Horizontal Axis Wind Turbine’. Dit wordt een horizontale as genoemd omdat de draaias horizontaal ligt (zie diagram, hieronder).

De horizontale as windmolens moeten recht in de wind wijzen om op maximale efficiëntie te werken, en de hele kop is ontworpen om te keren om de wind tegemoet te komen. Als de wind van richting verandert, moet de kop ook keren (of 'yaw') om gericht te blijven in de wind.

Horizontale as windmolens worden gekozen voor offshore windparken en onshore windparken waar het land grotendeels vlak en open is, omdat ze efficienter werken dan verticale as turbines in gebieden waar de wind niet turbulent is.

Gebouwd voor grootte

Hoewel er veel kleine horizontale aswindturbines commercieel beschikbaar zijn voor energiebewuste huis eigenaren, is een van hun grote voordelen dat ze goed schalen voor productie en heel groot gebouwd kunnen worden. Dit is nog een reden waarom ze worden gebruikt in windparken. Het is veel kosteneffectiever om één 10 megawatt (MW)-turbine te bouwen en te exploiteren dan vijf 2 MW-turbines.

De grootste windturbine ter wereld (eind zomer 2021) is de Vestas V236-turbine, met een nominale vermogen van 15 megawatts (MW). Deze heeft een rotorbladendiameter van 236m – meer dan twee keer de hoogte van de Vrijheidsbeeld! Een enkele rotatie van de bladen genereert voldoende elektriciteit om een gemiddeld huishouden voor een dag te voorzien.

Verticale as windturbines

Een minder efficiënte en minder gangbare turbine is de ‘Verticale As Windturbine’. Deze wordt verticaal-as genoemd omdat de roterende as verticaal naar boven gericht is.

Het is niet mogelijk om verticale as turbines te bouwen op de grote schaal zoals we die zien in windparken met horizontale as turbines. De grootste ooit gebouwde verticale as windturbine was de 110 meter hoge, 3,8MW "ÉOLE" turbine in Quebec, Canada. Het rotorlagertje brak echter in 1993 onder het gewicht van 880 ton dat het moest dragen. Sindsdien is de turbine niet meer operationeel en is nu een nieuwsgierigheid voor toeristen. Het is zeer onwaarschijnlijk dat iemand probeert een grotere verticale as turbine te bouwen dan deze, vanwege de ingenieursproblemen die gepaard gaan met het direct ondersteunen van zulke zware gewichten op één lagertje.

Gebouwd voor flexibiliteit

Hoewel kleiner, heeft verticale as windturbines een belangrijk voordeel boven horizontale as turbines: ze hoeven niet te wentelen. Ze verzamelen windenergie uit alle richtingen telkens weer. Vanwege de manier waarop de blades zijn ontworpen, draaien ze altijd in dezelfde richting, ongeacht waar de wind vandaan komt.

Dit maakt verticale as windturbines beter in het vangen van windenergie op stadsdaken en bebouwde gebieden waar turbulentie de windrichting voortdurend verandert.

Verticale as windturbines nemen minder ruimte in dan een equivalent vermogen horizontale as turbine, en worden vaak gekozen voor gebieden waar ruimte beperkt is.

Verschillende typen VAWTs

Er zijn twee hoofontwerpen van verticale as windturbines, genaamd Savonius en Darrieus. Deze ontwerpen verschijnen vrij verschillend in de manier waarop ze windenergie vangen.

Savonius VAWTs

Savonius-stijl verticale as windturbines gebruiken het principe van wrijving om windenergie om te zetten in mechanische rotatie-energie. Ze werken als een schep, gevormd om de wind die de turbine binnenkomt te vangen, waardoor wrijving ontstaat en deze daarmee wordt gedwongen te roteren (zie diagram, hieronder). Ongeacht uit welke richting de wind komt, zal hij altijd zowel de voorkant als de achterkant van de schep raken - maar de afgeronde achterkant van de schep veroorzaakt minder wrijving, wat de turbine toelaat om te roteren. Dit betekent echter dat een Savonius verticale as windturbine slechts maximaal 15% van de windenergie kan omzetten in mechanische rotatie-energie.

Darrieus VAWTs

Darrieus verticale as windturbines gebruiken het principe van opstijging om windenergie om te zetten in mechanische rotatie-energie, en zijn efficiënter dan Savonius-stijl verticale as turbines. Darrieus verticale as windturbines gebruiken bladen die een doorsnede hebben gevormd zoals de vleugel van een vliegtuig. Als de wind over de blade stroomt, creëert het aerodynamische effect opstijging, en dit is wat de turbine doet roteren (zie diagram, hieronder).

De aerodynamische bladen van een Darrieus-turbine kunnen ofwel recht, gebogen, of helisch van vorm zijn (zie diagram, hieronder).

Dit zijn allemaal Darrieus-turbines – de rotorbladen zijn allemaal dezelfde opstijging genererende aerodynamische vormen, maar in verschillende configuraties.

De helische configuratie is misschien de meest interessante, omdat deze toelaat dat een langere aerodynamische blade wordt geplaatst binnen hetzelfde rotatiegebied als een turbine met rechte bladen, waardoor meer wind wordt gevangen en de efficiëntie wordt verhoogd.

Andere Turbine Ontwerpen

Hoewel de meerderheid van windturbines valt onder deze twee hoofdcategorieën (verticale as en horizontale as) zijn er verschillende experimentele ontwerpen geweest die zich afzetten tegen de normale configuratie van deze twee ontwerpen.

De Windboom

De ‘Windboom’ gebouwd door het in Parijs gevestigde bedrijf New World Wind, is gebaseerd op een Savonius verticale-as-windturbine, maar is nieuw in dat het veel kleine turbines gebruikt die gerangschikt zijn om eruit te zien als bladeren op een boom, waardoor een decoratieve stedelijke functie ontstaat.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless is een Spaans bedrijf dat een volledig ander methode heeft gebruikt om kinetische energie uit de wind te halen. Hun ‘turbine’ ziet er helemaal niet uit als een conventionele turbine, omdat hij niet roteert.

Het Vortex Bladeless-systeem gebruikt een hoge, zuilvormige mast die energie uit de wind haalt met een techniek genaamd vortex-geïnduceerde resonantie. Wanneer de wind langs de zuil stroomt, veroorzaakt het turbulentie erachter, wat ervoor zorgt dat de zuil heen en weeroscilleert of 'trilt', en het is deze mechanische energie die een lineaire wisselgenerator aandrijft, waardoor een elektrische stroom wordt gegenereerd.

Omdat ze geen draaiende schroeven hebben, stellen deze soort windgeneratoren geen gevaar voor migrerende vogels of wilde dieren.

Door Voertuigen Gedreven Turbines

Een aantal bedrijven heeft begonnen met de ontwikkeling van kleine schaal verticale aswindturbines die kunnen worden geplaatst in de middenberm van snelwegen en autowegen. In plaats van door 'natuurlijke' wind te worden aangedreven, is het de turbulentie veroorzaakt door de constante stroom van voertuigen die op hoge snelheid voorbij rijdt die deze turbines doet roteren. Dus, hoewel het nog steeds conventionele verticale aswindturbines zijn, is de situatie waarop ze worden toegepast nieuw.

Krukas-windturbine (CAWT)

De krukas-windturbine is een experimentele verticale as-turbineontwerp die zowel horizontale als verticale turbinebladen gebruikt in een nieuwe kruisverbindingsconfiguratie. Met drie verticale bladen en zes horizontale bladen kan deze zowel windenergie uit horizontale als verticale richtingen opvangen. Studies vonden dat deze 2,5 keer efficienter was dan een conventionele verticale asturbine onder dezelfde windomstandigheden.

Koeltoren-opstijgturbine

Dit ontwerp stelt een nieuwe configuratie van een Darrieus-verticale-aswindturbine voor, horizontaal georienteerd en geplaatst aan de top van koeltorens. Het opstijgende luchtstromingspatroon van het afvoerlucht uit de toren, in plaats van verspild te worden aan de atmosfeer, wordt gebruikt om de turbine aan te drijven.