Typer vindturbiner HAWT, VAWT og mer forklart

De aller fleste av vindturbiner sett rundt om i fylket på vindparker (både på land og til havs) er standard design med 3 blader. Det finnes imidlertid en rekke forskjellige stiler/typer av turbiner, og måten de utnytter kinetisk energi fra vinden på er ganske forskjellig.

De to hovedtypene vindturbiner er horisontalakse og vertikalakse. Vindturbiner med horisontal akse ha rotasjonsaksen horisontalt orientert. De har vanligvis 3-blader og er designet for å vende mot vinden. Vindturbiner med vertikal akse har den roterende aksen vertikalt justert og er designet for å utnytte kinetisk energi i motsatt retning.

Bortsett fra vindturbiner med horisontal akse og vertikal akse, er det andre iterasjoner av turbinen som er verdt å utforske.

Den vanligste typen vindturbiner er "Horizontal Axis Wind Turbine". Det refereres til som en horisontal akse da den roterende aksen ligger horisontalt (se diagram nedenfor)

Vindturbinene med horisontal akse må peke direkte inn i vinden for å fungere med maksimal effektivitet, og hele hodet er designet for å snu mot vinden. Ettersom vinden endrer retning, så må hodet snu (eller 'yaw') for å fortsette å peke inn i vinden.

Vindmøller med horisontal akse velges for vindparker til havs og vindparker på land hvor landet stort sett er flatt og åpent, fordi de fungerer mer effektivt enn turbiner med vertikal akse i områder hvor vinden ikke er turbulent.

Bygget for størrelse

Selv om det er mange småskala vindturbiner med horisontal akse kommersielt tilgjengelig for energibevisste huseiere, er en av deres store fordeler at de kan skaleres godt for produksjon og kan bygges VELDIG STORT. Dette er en annen grunn til at de brukes til vindparker. Det er mye mer kostnadseffektivt å bygge og drifte én 10 megawatt (MW) turbin enn fem 2 MW turbiner.

Den største vindturbinen i verden (som sommeren 2021) er Vestas V236-turbinen, med en merkeeffekt på 15 megawatt (MW). Den har en bladrotordiameter på 236m – mer enn dobbelt så høy som Frihetsgudinnen! En enkelt rotasjon av knivene vil gi nok strøm til å drive en gjennomsnittlig husholdning i en dag.

Vertikale akse vindturbiner

En mindre effektiv og mindre vanlig turbin er 'Vertical Axis Wind Turbine'. Det refereres til som vertikal akse da den roterende aksen er justert vertikalt oppover.

Det er ikke mulig å bygge turbiner med vertikal akse i de store skalaene vi ser i vindmølleparker med horisontale akser. Den største vindturbinen med vertikal akse som noen gang er bygget var den 110 m høye 3.8 MW «ÉOLE»-turbinen i Quebec, Canada. Imidlertid sviktet rotorlageret i 1993 under vekten på 880 tonn det måtte støtte. Den har ikke vært i drift siden den gang, og er nå en kuriositet for turister. Det er høyst usannsynlig at noen vil prøve å bygge en turbin med vertikal akse større enn dette på grunn av de tekniske problemene forbundet med å direkte støtte slike tunge vekter på et enkelt lager.

Bygget for fleksibilitet

Selv om de er mindre, er den største fordelen som vindturbiner med vertikal akse har fremfor horisontal akse, at de ikke trenger å gi seg. De samler vindenergi fra alle retninger hele tiden. På grunn av måten bladene er designet på, snurrer de alltid samme retning, uansett hvor vinden kommer fra.

Dette gjør vindturbiner med vertikal akse bedre til å fange vindenergi i bytak og bygde områder der turbulent vind endrer retning hele tiden.

Vindturbiner med vertikal akse tar mindre plass enn en tilsvarende effekt Horisontalakseturbin, og velges ofte for områder med begrenset plass.

Ulike typer VAWT-er

Det er to hoveddesign av vindturbiner med vertikal akse, kalt Savonius og Darrieus. Disse designene er ganske forskjellige i måten de fanger opp vindenergien.

Savonius VAWTs

Vindturbiner med vertikal akse i Savonius-stil bruker prinsippet om drag for å konvertere vindenergi til mekanisk rotasjonsenergi. De fungerer som en øse, formet for å fange vinden som kommer inn i turbinen, skape luftmotstand og dermed tvinge den til å rotere (se diagrammet nedenfor). Uansett hvilken retning vinden kommer fra, vil den alltid treffe både forsiden og baksiden av scoopen – men den avrundede baksiden av scoopen skaper mindre luftmotstand, og lar dermed turbinen rotere. Dette betyr imidlertid at en Savonius vindturbin med vertikal akse kun kan konvertere i beste fall 15 % av vindenergien til mekanisk rotasjonsenergi.

Darrieus VAWTs

Darrieus vindturbiner med vertikal akse bruker løfteprinsippet for å konvertere vindenergi til mekanisk rotasjonsenergi, og er mer effektive enn vertikalakse-turbiner i Savonius-stil. Darrieus vindturbiner med vertikal akse bruker blader som har et tverrsnitt formet som vingen til et fly. Når vinden passerer over bladet, skaper aerofoil-effekten løft, og det er dette som roterer turbinen (se diagrammet nedenfor).

Aerofoil-bladene til en Darrieus-turbin kan enten være rette, buede eller spiralformede (se diagram nedenfor).

Disse er alle Darrieus-turbiner – rotorbladene er alle de samme løfte-skapende aerofoils, men i forskjellige konfigurasjoner.

Den spiralformede konfigurasjonen er kanskje den mest interessante, siden den lar et lengre aerofoil-blad holdes innenfor samme rotasjonsområde som en rettbladet turbin, og dermed fanger mer av vinden og øker effektiviteten. 

Andre turbindesigner

Mens flertallet av vindturbiner faller inn under disse to hovedkategoriene (vertikal akse og horisontal akse), har det vært forskjellige eksperimentelle design som beveger seg bort fra den normale konfigurasjonen av disse to designene.

Vindtreet

'Wind Tree' bygget av det Paris-baserte selskapet New World Wind, er basert på en Savonius vindturbin med vertikal akse, men det er nytt ved at det bruker mange små turbiner arrangert for å se ut som blader på et tre for å lage et dekorativt urbant trekk. .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless er et spansk selskap som har brukt en helt annen metode for å utvinne kinetisk energi fra vinden. Deres "turbin" ser ikke ut som en konvensjonell turbin i det hele tatt, siden den ikke roterer.

Vortex Bladeless-systemet bruker en høy, søyleformet mast, som trekker ut energi fra vinden ved hjelp av en teknikk som kalles vortex-indusert resonans. Når vinden passerer søylen, forårsaker den turbulens bak den, som får søylen til å oscillere eller 'vibrere' frem og tilbake, og det er denne mekaniske energien som driver en lineær vekselstrømsgenerator, og dermed genererer en elektrisk strøm.

Siden de ikke har roterende kniver, utgjør ikke denne typen vindgenerator en fare for trekkende fugler eller dyreliv.

Kjøretøydrevne turbiner

En rekke selskaper har begynt å utvikle småskala vindturbiner med vertikal akse som kan plasseres i den sentrale reservasjonen av motorveier og motorveier. I stedet for å bli drevet av "naturlig" vind, er det turbulensen forårsaket av den konstante strømmen av kjøretøy som passerer i høy hastighet som roterer disse turbinene. Så selv om de fortsatt er konvensjonelle vindturbiner med vertikal akse, er det situasjonen de blir brukt på som er ny.

Tverrakse vindturbin (CAWT)

Tverrakse vindturbinen er en eksperimentell vertikal akse turbindesign som bruker både horisontale og vertikale turbinblader i en ny tverrbundet konfigurasjon. Med tre vertikale blad og seks horisontale blader kan den fange opp vindenergi som kommer fra både horisontal og vertikal retning. Studier fant at den var 2.5 ganger mer effektiv enn en konvensjonell turbin med vertikal akse i samme vindforhold.

Oppstrømsturbin for kjøletårn

Dette designet foreslår en ny konfigurasjon av en Darrieus vindturbin med vertikal akse, orientert horisontalt og plassert på toppen av kjøletårn. Oppstrømmingen fra eksosluftstrømmen fra tårnet, i stedet for å kastes bort til atmosfæren, brukes til å drive turbinen.