Soorten windturbines HAWT, VAWT en meer uitgelegd

De overgrote meerderheid van windturbines gezien in de county op windparken (zowel on-shore als off-shore) zijn standaard 3-bladige ontwerpen. Echter, er bestaan ​​een aantal verschillende stijlen/typen turbines en de manier waarop ze kinetische energie uit de wind benutten is behoorlijk verschillend.

De twee belangrijkste typen windturbines zijn horizontale-as en verticale-as. Windturbines met horizontale as hebben de roterende as horizontaal georiënteerd. Ze hebben doorgaans 3 bladen en zijn ontworpen om naar de wind toe te wijzen. Verticale as windturbines hebben de roterende as verticaal uitgelijnd en zijn ontworpen om kinetische energie in de tegenovergestelde richting te benutten.

Naast de windturbines met horizontale en verticale as zijn er nog andere varianten van de turbine die het onderzoeken waard zijn.

Het meest voorkomende type windturbine is de 'Horizontal Axis Wind Turbine'. Deze wordt een horizontale as genoemd omdat de roterende as horizontaal ligt (zie diagram hieronder)

De horizontale as windturbines moeten direct in de wind wijzen om op maximale efficiëntie te werken, en de hele kop is ontworpen om te draaien naar de wind. Als de wind van richting verandert, moet de kop draaien (of 'gieren') om in de wind te blijven wijzen.

Horizontale-aswindturbines worden gekozen voor windparken op zee en op land, waar het land grotendeels vlak en open is. Ze werken namelijk efficiënter dan verticale-aswindturbines in gebieden waar de wind niet turbulent is.

Gebouwd voor formaat

Hoewel er genoeg kleinschalige horizontale as windturbines commercieel beschikbaar zijn voor energiebewuste huiseigenaren, is een van hun grote voordelen dat ze goed schaalbaar zijn voor productie en HEEL GROOT gebouwd kunnen worden. Dit is nog een reden waarom ze worden gebruikt voor windparken. Het is veel kosteneffectiever om één 10 megawatt (MW) turbine te bouwen en te bedienen dan vijf 2 MW turbines.

De grootste windturbine ter wereld (zomer 2021) is de Vestas V236-turbine, met een nominaal vermogen van 15 megawatt (MW). De diameter van de rotorbladen is 236 m, meer dan twee keer de hoogte van het Vrijheidsbeeld! Eén enkele rotatie van de bladen levert genoeg elektriciteit om een ​​gemiddeld huishouden een dag van stroom te voorzien.

Verticale as windturbines

Een minder efficiënte en minder gebruikelijke turbine is de 'Vertical Axis Wind Turbine'. Deze wordt verticale as genoemd omdat de roterende as verticaal omhoog is uitgelijnd.

Het is niet mogelijk om verticale as turbines te bouwen op de grote schaal die we zien in horizontale as turbine windparken. De grootste verticale as windturbine ooit gebouwd was de 110m hoge, 3.8MW “ÉOLE” turbine in Quebec, Canada. Echter, het rotorlager begaf het in 1993 onder het gewicht van 880 ton dat het moest dragen. Sindsdien is het niet meer operationeel en is het nu een bezienswaardigheid voor toeristen. Het is zeer onwaarschijnlijk dat iemand zal proberen om een ​​verticale as turbine te bouwen die groter is dan deze vanwege de technische problemen die gepaard gaan met het direct ondersteunen van zulke zware gewichten op één lager.

Gebouwd voor flexibiliteit

Hoewel ze kleiner zijn, is het belangrijkste voordeel van verticale as windturbines ten opzichte van horizontale as dat ze niet hoeven te gieren. Ze verzamelen altijd windenergie uit alle richtingen. Vanwege de manier waarop de bladen zijn ontworpen, draaien ze altijd in dezelfde richting, ongeacht waar de wind vandaan komt.

Hierdoor zijn verticale-aswindturbines beter in staat om windenergie op te vangen op daken van steden en in bebouwde gebieden waar de turbulente wind voortdurend van richting verandert.

Windturbines met verticale as nemen minder ruimte in beslag dan een horizontale-asturbine van hetzelfde vermogen en worden vaak gekozen voor gebieden waar de ruimte beperkt is.

Verschillende soorten VAWT's

Er zijn twee hoofdontwerpen van verticale as windturbines, Savonius en Darrieus genaamd. Deze ontwerpen verschillen behoorlijk in de manier waarop ze de windenergie opvangen.

Savonius VAWT's

Savonius-stijl verticale as windturbines gebruiken het principe van weerstand om windenergie om te zetten in mechanische rotatie-energie. Ze werken als een schep, gevormd om de wind die de turbine binnenkomt op te vangen, waardoor er weerstand ontstaat en de turbine dus gedwongen wordt te draaien (zie diagram hieronder). Ongeacht uit welke richting de wind komt, zal deze altijd zowel de voor- als achterkant van de schep raken - maar de afgeronde achterkant van de schep creëert minder weerstand, waardoor de turbine kan draaien. Dit betekent echter wel dat een Savonius verticale as windturbine maximaal 15% van de windenergie kan omzetten in mechanische rotatie-energie.

Darrieus VAWT's

Darrieus verticale as windturbines gebruiken het principe van lift 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 die gevormd is als de vleugel van een vliegtuig. Als de wind over het blad gaat, creëert het aerofoil effect lift, en dit is wat de turbine laat roteren (zie diagram, hieronder).

De vleugelbladen van een Darrieus-turbine kunnen recht, gebogen of spiraalvormig zijn (zie onderstaande afbeelding).

Dit zijn allemaal Darrieus-turbines: de rotorbladen zijn allemaal dezelfde liftcreërende vleugels, maar in verschillende configuraties.

De spiraalvormige configuratie is misschien wel het meest interessant, omdat hiermee een langer vleugelblad binnen hetzelfde rotatiegebied kan worden geplaatst als een turbine met rechte bladen. Hierdoor kan een groter deel van de wind worden opgevangen en de efficiëntie worden verhoogd. 

Andere turbineontwerpen

Hoewel de meeste windturbines onder deze twee hoofdcategorieën vallen (verticale as en horizontale as), zijn er verschillende experimentele ontwerpen geweest die afwijken van 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-windturbine met verticale as. Nieuw is dat er gebruik wordt gemaakt van een groot aantal kleine turbines die zo zijn geplaatst dat ze op bladeren aan een boom lijken, waardoor er een decoratief stedelijk element ontstaat.

Vortex zonder mes

Vortex Bladeless is een Spaans bedrijf dat een compleet andere methode heeft gebruikt om kinetische energie uit de wind te halen. Hun "turbine" lijkt helemaal niet op een conventionele turbine, omdat hij niet roteert.

Het Vortex Bladeless-systeem gebruikt een hoge, pilaarvormige mast, die energie uit de wind haalt met behulp van een techniek die vortex-geïnduceerde resonantie wordt genoemd. Als de wind langs de pilaar gaat, veroorzaakt het turbulentie erachter, waardoor de pilaar heen en weer gaat oscilleren of 'trillen', en het is deze mechanische energie die een lineaire alternator aandrijft, waardoor er een elektrische stroom wordt gegenereerd.

Omdat er geen roterende bladen in dit type windgenerator zitten, vormt dit type geen gevaar voor trekvogels of andere wilde dieren.

Voertuig-aangedreven turbines

Een aantal bedrijven is begonnen met de ontwikkeling van kleinschalige verticale as windturbines die in de middenberm van snelwegen en autowegen kunnen worden geplaatst. In plaats van dat ze worden aangestuurd door 'natuurlijke' wind, is het de turbulentie die wordt veroorzaakt door de constante stroom voertuigen die met hoge snelheid passeren die deze turbines laat draaien. Dus hoewel het nog steeds conventionele verticale as windturbines zijn, is het de situatie waarin ze worden toegepast die nieuw is.

Kruis-as windturbine (CAWT)

De cross-axis windturbine is een experimenteel ontwerp voor een verticale as turbine die zowel horizontale als verticale turbinebladen gebruikt in een nieuwe cross-linked configuratie. Met drie verticale bladen en zes horizontale bladen kan het windenergie opvangen die uit zowel horizontale als verticale richtingen komt. Studies hebben aangetoond dat het 2.5 keer efficiënter is dan een conventionele verticale as turbine in dezelfde windomstandigheden.

Koeltoren opwaartse luchtstroom turbine

Dit ontwerp stelt een nieuwe configuratie voor van een Darrieus verticale as windturbine, horizontaal georiënteerd en geplaatst op de top van koeltorens. De opwaartse luchtstroom van de uitlaatluchtstroom van de toren, in plaats van te worden verspild aan de atmosfeer, wordt gebruikt om de turbine aan te drijven.