Typy turbin wiatrowych HAWT, VAWT i inne wytłumaczone

Przez ogromną większość turbiny wiatrowe widoczne wokół kraju na farmach wiatrowych (zarówno lądowych, jak i morskich) są standardowymi projektami z 3 łopatami. Istnieje jednak kilka różnych stylów/typów turbin i sposób, w jaki wykorzystują energię kinetyczną wiatru, jest całkiem inny.

Dwa główne typy turbin wiatrowych to poziome i pionowe osie. Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu mają osę obrotu skierowaną poziomo. Zazwyczaj mają one trzy łopaty i są zaprojektowane tak, aby były skierowane w stronę wiatru. Turbiny wiatrowe o pionowej osi mają osę obrotu wyrównaną pionowo i są zaprojektowane do wykorzystywania energii kinetycznej w przeciwnym kierunku.

Poza turbinami o poziomej i pionowej osi istnieją inne warianty turbin, które warto eksplorować.

Najczęstszy typ wirnika wiatrowego to ‘Wirnik Wiatrowy o Poziomej Osi’ . Nazywa się go poziomą osią, ponieważ oś obrotu leży poziomo (zobacz diagram poniżej).

Wirniki wiatrowe o poziomej osi muszą wskazywać bezpośrednio na wiatr, aby działać z maksymalną wydajnością, a cała głowa jest zaprojektowana tak, aby obracać się w stronę wiatru. Gdy kierunek wiatru się zmienia, głowa musi się obracać (lub ‘yaw’) aby pozostać wskazującą na wiatr.

Wirniki wiatrowe o poziomej osi są wybierane dla wiatrowni morskich i lądowych, gdzie teren jest głównie płaski i otwarty, ponieważ działają bardziej efektywnie niż wirniki o pionowej osi w obszarach, gdzie wiatr nie jest turbulentny.

Zbudowany na wielkość

Podczas gdy na rynku dostępnych jest wiele małych wirników o osi poziomej przeznaczonych dla świadomych energii właścicieli domów, jedną z ich większych zalet jest to, że dobrze skalują się do produkcji i mogą być zbudowane BARDZO DUŻE. To kolejny powód, dla którego są one wykorzystywane w farmach wiatrowych. Jest znacznie bardziej opłacalne zbudować i eksploatować jeden wirnik o mocy 10 megawatów (MW), niż pięć wirników o mocy 2 MW.

Największy wirnik wiatrowy na świecie (stan na lato 2021) to wirnik Vestas V236, który ma nominalną moc wyjściową 15 megawatów (MW). Ma on średnicę wirnika 236m – co jest więcej niż dwukrotnością wysokości Statui Wolności! Jedno pojedyncze obroty jego łopatek dostarcza wystarczającej ilości elektryczności, aby zaopatrzyć średni dom w prąd na cały dzień.

Wirniki wiatrowe o osi pionowej

Mniej wydajnym i mniej popularnym wirnikiem jest ‘Wirnik Wiatrowy o Osi Pionowej’. Nazywa się go pionowym, ponieważ jego obracająca się oś jest ustalona pionowo.

Nie jest możliwe budowanie wirników o osi pionowej w takich dużych skalach, jakich możemy się spodziewać w farmach wiatrowych z wirnikami o osi poziomej. Największy kiedykolwiek zbudowany wirnik wiatrowy o osi pionowej to 110-metrowy, 3,8MW turbinę „ÉOLE” w Quebecu, w Kanadzie. Jednakże w 1993 roku podшиwa wirnika uległa uszkodzeniu pod ciężarem 880 ton, który musiała utrzymywać. Od tego czasu jest nieczynna i stała się ciekawostką dla turystów. Jest mało prawdopodobne, aby ktokolwiek spróbował zbudować większej niż ta turbinę o osi pionowej ze względu na problemy inżynierskie związane z bezpośrednim wspieraniem tak dużych wag na jednym łożysku.

Zbudowane na zasadzie elastyczności

Mimo że są mniejsze, główne zaletą wirników wiatrowych o osi pionowej nad tymi o osi poziomej jest to, że nie muszą wykonywać obrotu yawowego (poziomego). Zbierają energię wiatru z wszystkich kierunków przez cały czas. Ze względu na sposób projektowania łopatek, zawsze obracają się w tym samym kierunku, niezależnie od źródła wiatru.

To sprawia, że wirnik wiatrowy o osi pionowej lepiej łapie energię wiatru na dachach budynków i w obszarach zabudowanych, gdzie burzliwy wiatr zmienia kierunek cały czas.

Wirniki wiatrowe o osi pionowej zajmują mniej miejsca niż wirnik wiatrowy o równoważnej mocy o osi poziomej i są często wybierane dla obszarów, gdzie miejsce jest ograniczone.

Różne typy VAWT

Istnieją dwa główne projekty wirników wiatrowych o osi pionowej, nazywane Savonius i Darrieus. Te projekty różnią się sposobem, w jaki pozyskują energię wiatru.

Wirniki VAWT Savonius

Wiatraki pionowego osiowego typu Savonius korzystają z zasady oporu, aby przekształcić energię wiatru w mechaniczną energię obrotową. Działają jak łopata, kształtna tak, aby łapać wiatr wpadający do wirnika, tworząc opór i tym samym zmuszając go do obrotu (patrz diagram, poniżej). Niezależnie od kierunku, z którego wieje wiatr, zawsze będzie padał zarówno na przednią, jak i tylną część łopaty – ale zaokrąglone tylne części łopaty generują mniej oporu, co pozwala wirnikowi się obracać. Jednakże to oznacza, że wiatrak pionowego osiowego typu Savonius może przekształcić najwyżej 15% energii wiatru w mechaniczną energię obrotową.

Wiatraki Darrieus VAWT

Wiatraki osiowe typu Darrieus korzystają z zasady uniesienia, aby przekształcić energię wiatru w mechaniczną energię obrotową i są bardziej wydajne niż wiatraki osiowe typu Savonius. Wiatraki osiowe typu Darrieus używają łopatek o przekroju kształtu skrzydła samolotu. Gdy wiatr przepływa przez łopatkę, efekt aerodynamiczny tworzy uniesienie, a to właśnie jest przyczyną obrotu wirnika (zobacz rysunek poniżej).

Łopatki aerodynamiczne wirnika typu Darrieus mogą mieć kształt prosty, krzywy lub helikalny (zobacz rysunek poniżej).

To są wszystkie wirniki typu Darrieus – łopatki wirnika są tymi samymi elementami generującymi uniesienie, ale w różnych konfiguracjach.

Konfiguracja helikalna jest może najbardziej interesująca, ponieważ umożliwia umieszczenie dłuższej łopatki aerodynamicznej w tej samej powierzchni obrotowej co wirnik o prostych łopatkach, co pozwala przechwycić więcej wiatru i zwiększyć wydajność.

Inne projekty wirników

Podczas gdy większość turbin wiatrowych należy do tych dwóch głównych kategorii (oś pionowa i oś pozioma), powstało wiele eksperymentalnych projektów, które odchodzą od standardowego układu tych dwóch typów.

Drzewo Wiatru

„Drzewo Wiatru” zbudowane przez firmę New Wind z Paryża opiera się na turbinie wiatrowej o pionowej osi Savoniusa, ale jest nowatorskie w tym sensie, że używa wielu małych turbin ułożonych tak, aby przypominały liście na drzewie, tworząc dekoracyjny element miejski.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless to hiszpańska firma, która wykorzystała zupełnie inną metodę wydobycia energii kinetycznej z wiatru. Ich „turbina” nie przypomina tradycyjnej turbinę, ponieważ nie obraca się.

System Vortex Bladeless wykorzystuje wysoki, słupowaty maszt, który pobiera energię z wiatru za pomocą techniki zwanej rezonancją wirów. Gdy wiatr przechodzi obok słupa, powoduje to turbulencje za nim, co sprawia, że słup drga lub ‘wibruje’ w przód i w tył, a to właśnie energia mechaniczna napędza liniowy generатор, tym samym generując prąd elektryczny.

Ponieważ nie mają one wirujących łopatek, ten rodzaj generatora wiatrowego nie stanowi zagrożenia dla migrujących ptaków ani dzikiej przyrody.

Turbiny Napędzane przez Pojazdy

Liczne firmy rozpoczęły rozwijanie małych, pionowych turbin wiatrowych, które mogą być umieszczone w medianie autostrad i drogówek. Zamiast bycia napędzane przez ‘naturalny’ wiatr, to turbulencje spowodowane ciągłym strumieniem pojazdów poruszających się dużymi prędkościami powodują obrotę tych turbin. Więc, mimo że są to nadal konwencjonalne pionowe turbine wiatrowe, to sytuacja, w której są stosowane, jest nowatorska.

Wiatrak o krzywym osiowym układzie (CAWT)

Wiatrak o krzywym osiowym układzie to eksperymentalny projekt wirnika pionowego, który wykorzystuje zarówno łopaty poziome, jak i pionowe w nowatorskiej skrzyżowanej konfiguracji. Dzięki trzem łopatom pionowym i sześciu poziomym może pobierać energię wiatru z obu kierunków - poziomego i pionowego. Badania wykazały, że jest 2,5 razy bardziej efektywny niż tradycyjny wirnik pionowy w tych samych warunkach wietrznych.

Wirnik z przepływem powietrza w wieży chłodniczej

Ten projekt proponuje nowatorską konfigurację wirnika pionowego typu Darrieus, zorientowanego poziomo i umieszczonego na szczycie wież chłodniczych. Przepływ powietrza wyprowadzanego z wieży, zamiast być marnowany w atmosferze, jest wykorzystywany do napędu wirnika.