Tipuri de turbine eoliene HAWT, VAWT și alte explicații

Marea majoritate dintre turbine eoliene văzute în jurul țării pe fermele eoliene (atât pe uscat cât și offshore) sunt proiecte standard cu 3 pârghi. Cu toate acestea, există un număr de stiluri diferite / tipuri de turbine și modul în care acestea exploatează energia cinetică a vântului este destul de diferit.

Cele două principale tipuri de turbine eoliene sunt cu axă orizontală și cu axă verticală. Turbine eoliene cu axă orizontală au axa de rotație orientată orizontal. Acestea prezentă, de obicei, trei pârghi și sunt proiectate să fie îndreptate spre vânt. Turbinele eoliene cu axă verticală au axa de rotație aliniată vertical și sunt concepute pentru a exploata energia cinetică în direcția opusă.

Pe lângă turbinele eoliene cu axă orizontală și cu axă verticală, există și alte variante ale turbinei care merită să fie explorate.

Cel mai comun tip de turbină eolică este ‘Turbină Eolică cu Axă Orizontală’. Se numește axă orizontală deoarece axa de rotație se află orizontal (vezi diagrama, mai jos)

Turbinele eolice cu axă orizontală trebuie să fie orientate direct spre vent pentru a funcționa cu cea mai mare eficiență, iar întreaga capătă este proiectată să se rotească pentru a se intoarce spre vent. Când direcția vântului se schimbă, capătă trebuie să se rotească (sau să execute un ‘ghiromângâie’) pentru a rămâne orientată spre vent.

Turbinele eolice cu axă orizontală sunt alese pentru parcuri eoliere offshore și parcuri eoliere terestre unde terenul este în mare parte plat și deschis, deoarece funcționează mai eficient decât turbinele cu axă verticală în zonele în care vântul nu este turbulent.

Construite pentru dimensiune

Deși există multe turbine eoliene pe axa orizontală de dimensiuni mici disponibile comercial pentru proprietarii de case conștienți despre energie, una dintre cele mai mari avantaje ale acestora este că se pot scala bine pentru producție și pot fi construite FOARTE MARI. Aceasta este o altă rază pentru care sunt folosite în fermele eoliene. Este mult mai eficient costurilor să se construiască și să se opereze o singură turbină de 10 megawatti (MW) decât cinci turbine de 2 MW.

Cea mai mare turbină eoliană din lume (la data de vară a anului 2021) este turbină Vestas V236, cu o putere nominală de 15 megawatti (MW). Are un diametru al rotoarelor de 236m – mai mult de dublu înălțimea Statuiei Libertății! O singură rotație a paleelor sale va furniza suficientă electricitate pentru a alimenta o casă medie timp de o zi.

Turbinile eolice pe axa verticală

O turbină mai puțin eficientă și mai rară este ‘Turbină Eoliană pe Axă Verticală’. Se numește axă verticală deoarece axa de rotație este aliniată vertical spre sus.

Nu este posibil să se construiască turbine cu axă verticală la scări mari ca cele pe care le vedem în fermele de turbine cu axă orizontală. Cea mai mare turbină cu axă verticală cândva construită a fost turbină „ÉOLE” din Quebec, Canada, înălțime 110m și putere de 3,8MW. Cu toate acestea, supportul rotorului a eșuat în 1993 sub greutatea de 880 de tone pe care trebuia să o susțină. De atunci nu mai funcționează și acum este o curiozitate pentru turiști. Este extrem de improbabil ca cineva să încerce să construiască o turbină cu axă verticală mai mare decât aceasta din cauza problemelor de inginerie legate de susținerea directă a unor greutăți atât de mari pe un singur suport.

Construit pentru flexibilitate

Deși sunt mai mici, principala avantaj a turbinelor cu axă verticală față de cele cu axă orizontală este că acestea nu au nevoie să efectueze mișcare de orientare (yaw). Acestea colectează energia eoliană din toate direcțiile, tot timpul. Datorită modului în care sunt concepute palele, ele rotesc întotdeauna în aceeași direcție, indiferent de unde provine ventul.

Acest lucru face ca turbinile eolice pe axa verticală să fie mai bune în captarea energiei eoliene pe acoperămintele clădirilor din orașe și în zone cu construcții, unde ventul turbulent schimbă direcția în permanență.

Turbinile eolice pe axa verticală ocupa mai puțin spațiu decât o turbină orizontală de putere echivalentă și sunt adesea alese pentru zonele în care spațiul este limitat.

Tipuri diferite de VAWTs

Există două proiectări principale ale turbinilor eolice pe axa verticală, denumite Savonius și Darrieus. Aceste proiectări capturează energia eoliană în moduri destul de diferite.

VAWTs Savonius

Turbinele verticale pe axă de stil Savonius folosesc principiul rezistenței pentru a converti energia vantului în energie mecanică de rotație. Funcționează ca un scoop, având o formă care prinde ventul care intră în turbină, generând rezistență și astfel forțând-o să se rotească (vezi diagrama, mai jos). Indiferent de direcția din care provine vântul, acesta va atinge întotdeauna atât fața, cât și spatele scoop-ului – dar spatele rotunjit al scoop-ului generează mai puțină rezistență, permițând astfel turbinii să se rotească. Cu toate acestea, acest lucru înseamnă că o turbină verticală pe axă de tip Savonius poate converti cel mult 15% din energia vantului în energie mecanică de rotație.

VAWT-uri Darrieus

Turbinele verticale pe axă Darrieus folosesc principiul ridicării pentru a converti energia vântului în energie mecanică de rotație și sunt mai eficiente decât turbinele verticale pe axă de tip Savonius. Turbinele verticale pe axă Darrieus folosesc pârghiuri care au o secțiune transversală asemănătoare aripii unui avion. Când vântul trece peste pârghie, efectul aerodinamic creează o ridicare, și aceasta este ceea ce rotește turbină (vezi diagrama, mai jos).

Pârghiurile aerodinamice ale unei turbine Darrieus pot fi fie drepte, curbe sau eliceiforme în formă (vezi diagrama, mai jos).

Acestea sunt toate turbine Darrieus – pârghiurile rotorului sunt toate aceleași aerodinamice care creează ridicare, dar în configurări diferite.

Configurația eliceiformă este poate cea mai interesantă, deoarece permite ca o pârghie aerodinamică mai lungă să fie conținută în aceeași zonă de rotație ca și o turbină cu pârghiuri drepte, capturând astfel mai mult din vânt și creșând eficiența.

Alte proiectări de turbine

Deși majoritatea turbinelor eoliene se încadrează în aceste două categorii principale (axă verticală și axă orizontală), au existat diverse proiecte experimentale care se depărtează de configurația obișnuită a celor două tipuri.

Zambetul Vantului

„Zambetul Vantului” construit de compania bazată în Paris, New World Wind, este bazat pe o turbină eoliană cu axă verticală Savonius, dar este inovator deoarece utilizează multe turbine mici aranjate să arate ca frunze pe un copac, realizând astfel o caracteristică urbană decorativă.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless este o companie spaniolă care a utilizat o metodă complet diferită pentru extragerea energiei cinetice din vent. „Turbina” lor nu arată deloc ca o turbină convențională, deoarece nu se rotește.

Sistemul Vortex Bladeless utilizează o mastă în formă de coloană înaltă, care extrage energie din vent folosind o tehnică denumită rezonanță indusă de vortex. Când ventilul trece pe lângă coloană, aceasta provoacă turbulențe în spatele acesteia, ceea ce determină coloana să oscileze sau să ‘vibrheze’ în sensuri opuse, iar este această energie mecanică care actionează un alternator linear, generând astfel o curent electric.

Deoarece nu au nicio pârghie rotitoare, acest tip de generator de vent nu reprezintă un pericol pentru păsările migratoare sau fauna locală.

Turbine Accesați cu Vehicule

Un număr de companii au început să dezvolte turbine verticale pe axă mici care pot fi plasate în separarea centrală a autostrăzilor și drumurilor expres. În loc să fie actionate de „vent natural”, este turbulența cauzată de fluxul constant de vehicule care trec la viteză ridicată ce rotește aceste turbine. Deci, deși sunt încă turbine verticale pe axă convenționale, este situația în care sunt aplicate ce este nouă.

Turbina eoliană pe axă transversală (CAWT)

Turbina eoliană pe axă transversală este un proiect experimental de turbină pe axă verticală care utilizează atât pale ale turbinei orizontale, cât și verticale într-o configurație nouă, interconectată. Cu trei pale verticale și șase pale orizontale, poate captura energia vantului care provine atât din direcția orizontală, cât și cea verticală. Studii au arătat că aceasta era de 2,5 ori mai eficientă decât o turbină pe axă verticală convențională în aceleași condiții de vânt.

Turbina cu curent ascendent al turnurilor de răcire

Această concepere propune o configurație nouă a unei turbine verticale pe axă Darrieus, orientată orizontal și situată la vârful turnurilor de răcire. Curentul ascendent generat de fluxul de aer exhala din turn, care altfel ar fi pierdut în atmosferă, este folosit pentru a actiona turbina.