Rodzaje turbin wiatrowych HAWT, VAWT i inne wyjaśnione

Większość Turbiny wiatrowe widoczne w całym hrabstwie na farmach wiatrowych (zarówno na lądzie, jak i na morzu) to standardowe projekty z 3 łopatkami. Istnieje jednak wiele różnych stylów/typów turbin, a sposób, w jaki wykorzystują energię kinetyczną z wiatru, jest zupełnie inny.

Istnieją dwa główne typy turbin wiatrowych: o osi poziomej i o osi pionowej. Turbiny wiatrowe o osi poziomej mają oś obrotową zorientowaną poziomo. Zazwyczaj mają 3 łopatki i są zaprojektowane tak, aby były zwrócone w stronę wiatru. Turbiny wiatrowe o pionowej osi mają oś obrotową wyrównaną pionowo i są zaprojektowane tak, aby wykorzystywać energię kinetyczną w przeciwnym kierunku.

Oprócz turbin wiatrowych z poziomą i pionową osią obrotu istnieją inne wersje turbin warte uwagi.

Najbardziej powszechnym typem turbiny wiatrowej jest „turbina wiatrowa o osi poziomej”. Jest ona określana jako turbina o osi poziomej, ponieważ oś obrotu leży poziomo (patrz poniższy diagram).

Turbiny wiatrowe o poziomej osi muszą być skierowane bezpośrednio w stronę wiatru, aby działać z maksymalną wydajnością, a cała głowica jest zaprojektowana tak, aby obracać się w stronę wiatru. Gdy wiatr zmienia kierunek, głowica musi się obracać (lub „odchylać”), aby pozostać zwrócona w stronę wiatru.

Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu wybierane są w przypadku farm wiatrowych na morzu i lądzie, gdzie teren jest w większości płaski i otwarty, ponieważ działają wydajniej niż turbiny o pionowej osi obrotu na obszarach, na których wiatr nie jest turbulentny.

Zbudowany dla rozmiaru

Chociaż istnieje wiele małych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu dostępnych komercyjnie dla właścicieli domów świadomych zużycia energii, jedną z ich głównych zalet jest to, że dobrze skalują się do produkcji i mogą być budowane BARDZO DUŻE. To kolejny powód, dla którego są wykorzystywane w farmach wiatrowych. Znacznie bardziej opłacalne jest zbudowanie i eksploatacja jednej turbiny o mocy 10 megawatów (MW) niż pięciu turbin o mocy 2 MW.

Największą turbiną wiatrową na świecie (stan na lato 2021 r.) jest turbina Vestas V236 o mocy znamionowej 15 megawatów (MW). Średnica wirnika łopat wynosi 236 m – ponad dwukrotnie więcej niż wysokość Statuy Wolności! Jeden obrót łopat zapewni wystarczającą ilość energii elektrycznej do zasilania przeciętnego gospodarstwa domowego przez jeden dzień.

Turbiny wiatrowe z osią pionową

Mniej wydajną i mniej powszechną turbiną jest „turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu”. Jest ona określana jako oś pionowa, ponieważ oś obrotu jest ustawiona pionowo w górę.

Nie jest możliwe zbudowanie turbin o pionowej osi obrotu na tak dużą skalę, jaką widzimy w farmach wiatrowych z turbinami o poziomej osi obrotu. Największą turbiną wiatrową o pionowej osi obrotu, jaką kiedykolwiek zbudowano, była turbina „ÉOLE” o wysokości 110 m i mocy 3.8 MW w kanadyjskiej prowincji Quebec. Jednak łożysko wirnika uległo awarii w 1993 r. pod ciężarem 880 ton, który musiała utrzymać. Od tego czasu turbina nie jest eksploatowana i obecnie jest ciekawostką dla turystów. Jest wysoce nieprawdopodobne, aby ktokolwiek próbował zbudować turbinę o pionowej osi obrotu większą od tej ze względu na problemy inżynieryjne związane z bezpośrednim podtrzymywaniem tak dużych ciężarów na jednym łożysku.

Zbudowany z myślą o elastyczności

Choć mniejsze, główną zaletą turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu nad poziomą osią obrotu jest to, że nie muszą się odchylać. Zbierają energię wiatru ze wszystkich kierunków przez cały czas. Ze względu na sposób konstrukcji łopatek zawsze obracają się w tym samym kierunku, niezależnie od tego, skąd wieje wiatr.

Dzięki temu turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu lepiej sprawdzają się w przechwytywaniu energii wiatru z dachów miast i terenów zabudowanych, gdzie gwałtowny wiatr stale zmienia kierunek.

Turbiny wiatrowe o osi pionowej zajmują mniej miejsca niż turbiny o poziomej osi obrotu o tej samej mocy i są często wybierane w miejscach, gdzie przestrzeń jest ograniczona.

Różne rodzaje turbin wiatrowych VAWT

Istnieją dwa główne projekty turbin wiatrowych o pionowej osi, zwane Savonius i Darrieus. Projekty te różnią się znacznie pod względem sposobu, w jaki przechwytują energię wiatru.

Turbiny VAWT Savonius

Turbiny wiatrowe o pionowej osi Savoniusa wykorzystują zasadę oporu, aby przekształcić energię wiatru w mechaniczną energię obrotową. Działają jak łopatka, ukształtowana tak, aby uwięzić wiatr wchodzący do turbiny, tworząc opór i zmuszając ją do obrotu (patrz poniższy diagram). Niezależnie od kierunku, z którego wieje wiatr, zawsze będzie uderzał zarówno w przód, jak i w tył łopatki – ale zaokrąglony tył łopatki tworzy mniejszy opór, umożliwiając tym samym obrót turbiny. Oznacza to jednak, że turbina wiatrowa o pionowej osi Savoniusa może przekształcić co najwyżej 15% energii wiatru w mechaniczną energię obrotową.

Silniki VAWT Darrieusa

Turbiny wiatrowe Darrieusa z pionową osią wykorzystują zasadę siły nośnej do przekształcania energii wiatru w mechaniczną energię obrotową i są bardziej wydajne niż turbiny Savoniusa z pionową osią. Turbiny wiatrowe Darrieusa z pionową osią wykorzystują łopatki o przekroju poprzecznym w kształcie skrzydła samolotu. Gdy wiatr przechodzi nad łopatką, efekt aerodynamiczny tworzy siłę nośną, a to właśnie ona obraca turbinę (patrz poniższy diagram).

Łopatki aerodynamiczne turbiny Darrieusa mogą mieć kształt prosty, zakrzywiony lub śrubowy (patrz poniższy schemat).

Wszystkie te turbiny to turbiny Darrieusa – łopaty wirnika to te same profile aerodynamiczne wytwarzające siłę nośną, ale o różnej konfiguracji.

Konfiguracja śrubowa jest prawdopodobnie najbardziej interesująca, ponieważ pozwala na umieszczenie dłuższego profilu aerodynamicznego w tej samej powierzchni obrotowej, co turbina o prostych łopatkach, przechwytując w ten sposób większą część wiatru i zwiększając wydajność. 

Inne projekty turbin

Chociaż większość turbin wiatrowych mieści się w tych dwóch głównych kategoriach (o osi pionowej i osi poziomej), opracowano wiele projektów eksperymentalnych, które odchodzą od standardowej konfiguracji tych dwóch konstrukcji.

Drzewo Wiatru

„Drzewo Wiatru” zbudowane przez paryską firmę New World Wind opiera się na pionowej turbinie wiatrowej Savoniusa, ale jego innowacyjność polega na tym, że wykorzystuje wiele małych turbin ułożonych tak, aby przypominały liście na drzewie, co stanowi element dekoracyjny miasta.

Bezłopatkowy wir

Vortex Bladeless to hiszpańska firma, która wykorzystała zupełnie inną metodę pozyskiwania energii kinetycznej z wiatru. Ich „turbina” wcale nie przypomina konwencjonalnej turbiny, ponieważ się nie obraca.

System Vortex Bladeless wykorzystuje wysoki maszt w kształcie kolumny, który pobiera energię z wiatru za pomocą techniki zwanej rezonansem wywołanym przez wir. Gdy wiatr przechodzi przez kolumnę, powoduje za nią turbulencje, które powodują, że kolumna oscyluje lub „wibruje” tam i z powrotem, a ta energia mechaniczna napędza liniowy alternator, generując w ten sposób prąd elektryczny.

Ponieważ nie posiadają obracających się łopat, ten typ generatorów wiatrowych nie stwarza zagrożenia dla migrujących ptaków i dzikich zwierząt.

Turbiny napędzane pojazdami

Wiele firm zaczęło opracowywać małe turbiny wiatrowe o pionowej osi, które można umieścić w pasie dzielącym autostrady i drogi ekspresowe. Zamiast być napędzane przez „naturalny” wiatr, to turbulencje spowodowane przez stały strumień pojazdów przejeżdżających z dużą prędkością obracają te turbiny. Tak więc, chociaż są to nadal konwencjonalne turbiny wiatrowe o pionowej osi, to sytuacja, w której są stosowane, jest czymś nowym.

Turbina wiatrowa o osi poprzecznej (CAWT)

Turbina wiatrowa o osi poprzecznej to eksperymentalna konstrukcja turbiny o pionowej osi, która wykorzystuje zarówno poziome, jak i pionowe łopatki turbiny w nowatorskiej konfiguracji usieciowanej. Dzięki trzem pionowym łopatkom i sześciu poziomym łopatkom może przechwytywać energię wiatru pochodzącą zarówno z kierunku poziomego, jak i pionowego. Badania wykazały, że jest 2.5 razy bardziej wydajna niż konwencjonalna turbina o pionowej osi w tych samych warunkach wietrznych.

Turbina wznosząca wieży chłodniczej

Ten projekt proponuje nową konfigurację turbiny wiatrowej Darrieusa o pionowej osi, zorientowanej poziomo i umieszczonej na szczycie chłodni kominowych. Prąd wstępujący z powietrza wylotowego z wieży, zamiast być marnowany do atmosfery, jest wykorzystywany do napędzania turbiny.