Typer vindturbiner HAWT, VAWT og mer forklart

Den store delen av Vindmøller som ses rundt lands på vindparker (begge på land og i havet) er standard 3-blade design. Likevel finnes det flere forskjellige stiler/typer møller, og måten de utnytter kinetisk energi fra vinden er ganske annen.

De to hovedtypene vindmøller er horisontal-akse og vertikal-akse. Horisontale Akse Vindmøller har den rotrende aksen orientert horisontalt. De har typisk 3 blade og er designet til å peke mot vinden. Vertikale aksemøller har den rotrende aksen justert vertikalt og er designet til å utnytte kinetisk energi i motsatt retning.

Utover horisontal akse og vertikal akse vindmøller, finnes det andre varianter av møllen som er interessante å utforske.

Den vanligste typen vindkraftverk er ‘Horizontal Axis Wind Turbine’. Den kalles horisontal akse fordi den rotende aksen ligger horisontalt (se skisse under).

De horisontale akse vindkraftverkene må peke rett mot vinden for å operere med maksimal effektivitet, og hele hodet er designet til å snus for å peke mot vinden. Når vinden endrer retning, må hodeet snus (eller ‘yaw’) for å forblir pekende mot vinden.

Horisontale akse vindkraftverk blir valgt for utvannsvindparker og landbaserte vindparker der jorda i stor grad er flat og åpen, fordi de fungerer mer effektivt enn vertikale akse turbiner i områder hvor vinden ikke er turbulent.

Bygget for størrelse

Selv om det er mange småskalige horisontale akse-vindturbiner som er kommersielt tilgjengelige for energibevarette husholdninger, er en av de største fordeler med dem at de skaleres godt for produksjon og kan bygges VERRY STOR. Dette er en annen grunn til at de brukes i vindparker. Det er mye mer kostnadseffektivt å bygge og drive én 10 megawatt (MW)-turbine enn fem 2 MW-turbiner.

Den største vindturbinen i verden (sommeren 2021) er Vestas V236-turbinen, med en rated effekt på 15 megawatt (MW). Den har en bladerotor diameter på 236m – mer enn dobbelt høyden på Frihetsgudinnen! En enkelt rotasjon av bladene vil produsere nok strøm til å forsyne et gjennomsnittshusholdning i én dag.

Vindturbiner med vertikal akse

En mindre effektiv og mindre vanlig turbine er 'Loddrett Akse Vindturbine'. Den kalles loddrett akse fordi den roterende aksen er justert loddrett oppover.

Det er ikke mulig å bygge vertikale akseturbiner i de store skalaene vi ser i vindparker med horisontale akseturbiner. Den største nøyaktige vertikale akseturbinen som noen gang ble bygget, var den 110 meter høye, 3.8MW "ÉOLE"-turbinen i Quebec, Canada. Likevel feilet rotorstøtten i 1993 under de 880 tonn vekt den måtte støtte. Den har vært ute av drift siden da, og er nå en nyttighet for turister. Det er veldig lite sannsynlig at noen vil prøve å bygge en vertikal akseturbine større enn denne på grunn av de ingeniørproblemer som er knyttet til å støtte så tungt direkte på en enkelt støttepunkt.

Bygd for fleksibilitet

Selv om de er mindre, har vertikale akseturbiner et hovedfordel over horisontale akseturbiner: De trenger ikke å rotere (yaw). De samler vindenergi fra alle retninger hele tiden. På grunn av hvordan bladene er designet, roterer de alltid i samme retning, uavhengig av hvor vinden kommer fra.

Dette gjør at vertikale akse vindturbiner er bedre på å fange vindenergi på bytak og i tettbygde områder hvor turbulent vind endrer retning hele tiden.

Vindturbiner med vertikal akse tar mindre plass enn en tilsvarende effektiv horisontal akse turbine, og blir ofte valgt for områder der plassen er begrenset.

Forskjellige typer VAWTs

Det finnes to hoveddesigner av vertikale akse vindturbiner, kalt Savonius og Darrieus. Disse designene er ganske forskjellige i hvordan de fanger vindenergien.

Savonius VAWTs

Savonius-stil vertical akse vindturbiner bruker prinsippet med motstand for å konvertere vindenergi til mekanisk rotasjonsenergi. De fungerer som en skjøp, formet for å fange vinden som kommer inn i turbinen, opprettholder motstand og dermed tvinger den til å rotere (se skisse under). Uansett hvilken retning vinden kommer fra, vil den alltid treffe både fronten og bakken av skjøpet – men den runde bakenden på skjøpet opprettholder mindre motstand, noe som lar turbinen rotere. Likevel betyr dette at en Savonius vertical akse vindturbine kun kan konvertere høyest 15% av vindenergien til mekanisk rotasjonsenergi.

Darrieus VAWTs

Darrieus vertikale akse vindturbiner bruker løftprinsippet for å konvertere vindenergi til mekanisk rotasjonsenergi, og er mer effektive enn Savonius-stil vertikale akse turbiner. Darrieus vertikale akse vindturbiner bruker lapper som har en tverrsnittsform lik en flyving. Når vinden passerer over lappen, oppretter aerofoil-effekten løft, og dette er det som roterer turbinen (se skisse nedenfor).

Aerofoil-lappene på en Darrieus-turbine kan enten være rette, bueformede eller helikale i form (se skisse nedenfor).

Dette er alle Darrieus-turbiner – rotorlappene er alle de samme løftsopprettede aerofoiler, men i ulike konfigurasjoner.

Helikalkonfigurasjonen er kanskje den mest interessante, siden den tillater en lengre aerofoil-lappe å plasseres innenfor samme rotasjonsområde som en turbine med rette lapper, dermed fange mer av vindene og øke effektiviteten.

Andre Turbin Design

Mens de fleste vindmøller tilhører disse to hovedkategorier (vertikal akse og horisontal akse), har det vært ulike eksperimentelle design som avviker fra den vanlige konfigurasjonen av disse to designene.

Vindtreet

‘Vindtreet’ bygget av Paris-drevet selskap New Wind, er basert på en Savonius vertikal akse vindturbine, men det er nyskapende i at det bruker mange små turbiner ordnet for å se ut som blader på et tre for å lage en dekorativ bymiljøfunksjon.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless er et spansk selskap som har utnyttet en helt annen metode for å trekke ut kinetisk energi fra vinden. Deres ‘turbine’ ser ikke ut som en konvensjonell turbine overhodet, da den ikke roterer.

Vortex Bladeless-systemet bruker en høy, søyemessig mast, som trekker energi fra vinden ved å bruke en teknikk kalt vektorindusert resonans. Når vinden passerer søyen, forårsaker den turbulent bak den, noe som gjør at søyen svinger eller 'vibrerer' fram og tilbake, og det er denne mekaniske energien som drijver en lineær alternator, slik at den genererer en elektrisk strøm.

Ettersom de ikke har rotende blade, utgjør denne typen vindgeneratør ingen fare for migrerende fugler eller villdyr.

Bil-drevne turbine

En rekke selskaper har begynt å utvikle småskalige vertikale akse vindturbiner som kan plasseres i midtstippet av motorveier og fri veier. Istedenfor å drives av 'naturlig' vind, er det turbulentet forårsaket av den konstante strømmen av kjøretøy som passerer på høy fart som roterer disse turbinene. Så mens de fortsatt er konvensjonelle vertikale akse vindturbiner, er det situasjonen de blir brukt i som er nyttig.

Kryssaks wind turbine (CAWT)

Den kryssaks wind turbine er en eksperimentell vertikalskaksturbine design som bruker både horisontale og vertikale turbineblader i en nyttig krysslenket konfigurasjon. Med tre vertikale blader og seks horisontale blader kan den fange vindenergi fra både horisontale og vertikale retninger. Studier fant at det var 2,5 ganger mer effektivt enn en konvensjonal vertikalskaksturbine under samme vindforhold.

Kjølingstårn Opptrekksturbine

Dette designet foreslår en ny konfigurasjon av en Darrieus vertikalskaksturbine, orientert horisontalt og plassert øverst på kjølingstårnene. Opptrakket fra utslippsluftstrømmen fra tårnet, i stedet for å bli spilt bort til atmosfæren, brukes til å drive turbinen.