Типы ветровых турбин HAWT, VAWT и другие. Объяснение

Подавляющее большинство ветровых турбин Ветергенераторы, которые можно увидеть по всему округу (как на суше, так и в открытом море), имеют стандартную конструкцию с тремя лопастями. Однако существует ряд различных стилей/типов турбин, и способы, которыми они используют кинетическую энергию ветра, весьма различны.

Два основных типа ветряных турбин — с горизонтальной осью вращения и с вертикальной осью вращения. Ветряные турбины с горизонтальной осью имеют ось вращения, ориентированную горизонтально. Обычно они имеют 3 лопасти и предназначены для обращения к ветру. Ветровые турбины с вертикальной осью вращения имеют ось вращения, выровненную вертикально, и предназначены для использования кинетической энергии в противоположном направлении.

Помимо ветровых турбин с горизонтальной и вертикальной осью вращения существуют и другие модификации турбин, которые стоит изучить.

Наиболее распространенным типом ветряной турбины является «Ветряная турбина с горизонтальной осью». Она называется горизонтальной осью, поскольку ось вращения расположена горизонтально (см. схему ниже)

Ветровые турбины с горизонтальной осью должны быть направлены прямо на ветер, чтобы работать с максимальной эффективностью, а вся головка спроектирована так, чтобы поворачиваться лицом к ветру. Когда ветер меняет направление, головка должна поворачиваться (или «рыскать»), чтобы оставаться направленной на ветер.

Ветровые турбины с горизонтальной осью выбирают для ветровых электростанций, расположенных в открытом и шельфовом положении, а также для ветровых электростанций на суше, где рельеф местности преимущественно плоский и открытый, поскольку они работают эффективнее, чем турбины с вертикальной осью, в районах, где ветер не является турбулентным.

Создан для размера

Хотя для владельцев домов, заботящихся об энергии, доступно множество небольших ветровых турбин с горизонтальной осью, одним из их больших преимуществ является то, что они хорошо масштабируются для производства и могут быть построены ОЧЕНЬ БОЛЬШИМИ. Это еще одна причина, по которой их используют для ветровых электростанций. Гораздо более рентабельно построить и эксплуатировать одну турбину мощностью 10 мегаватт (МВт), чем пять турбин мощностью 2 МВт.

Самая большая ветряная турбина в мире (по состоянию на лето 2021 года) — турбина Vestas V236 с номинальной выходной мощностью 15 мегаватт (МВт). Диаметр ее ротора лопастей составляет 236 м — более чем в два раза больше высоты Статуи Свободы! Один оборот ее лопастей обеспечит достаточно электроэнергии для питания среднестатистического домохозяйства в течение дня.

Ветряные турбины с вертикальной осью

Менее эффективная и менее распространенная турбина — «Ветровая турбина с вертикальной осью». Она называется вертикальной осью, поскольку ось вращения направлена ​​вертикально вверх.

Невозможно построить вертикально-осевые турбины в больших масштабах, которые мы видим в ветровых электростанциях с горизонтально-осевыми турбинами. Самая большая вертикально-осевая ветровая турбина, когда-либо построенная, была турбина «ÉOLE» высотой 110 м и мощностью 3.8 МВт в Квебеке, Канада. Однако подшипник ротора вышел из строя в 1993 году под весом 880 тонн, который он должен был поддерживать. С тех пор она не эксплуатируется, и теперь является диковинкой для туристов. Крайне маловероятно, что кто-то попытается построить вертикально-осевую турбину большего размера из-за инженерных проблем, связанных с прямой поддержкой таких тяжелых грузов на одном подшипнике.

Создан для гибкости

Хотя они меньше, главное преимущество ветряных турбин с вертикальной осью над горизонтальной осью заключается в том, что им не нужно рыскать. Они постоянно собирают энергию ветра со всех направлений. Благодаря конструкции лопастей они всегда вращаются в одном направлении, независимо от того, откуда дует ветер.

Благодаря этому ветровые турбины с вертикальной осью вращения более эффективны при улавливании энергии ветра на крышах городских зданий и в застроенных районах, где турбулентный ветер постоянно меняет направление.

Ветряные турбины с вертикальной осью занимают меньше места, чем турбины с горизонтальной осью эквивалентной мощности, и часто выбираются для помещений с ограниченным пространством.

Различные типы VAWT

Существуют две основные конструкции ветровых турбин с вертикальной осью вращения, называемые Савониус и Дарриус. Эти конструкции существенно различаются по способу улавливания энергии ветра.

Савониус VAWTs

Вертикальные осевые ветровые турбины типа Савониуса используют принцип сопротивления для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения. Они работают как ковш, имеющий форму, которая улавливает ветер, входящий в турбину, создавая сопротивление и, таким образом, заставляя ее вращаться (см. схему ниже). Независимо от того, с какого направления дует ветер, он всегда будет бить как по передней, так и по задней части ковша, но закругленная задняя часть ковша создает меньшее сопротивление, тем самым позволяя турбине вращаться. Однако это означает, что вертикальная осевая ветровая турбина Савониуса может преобразовать в лучшем случае только 15% энергии ветра в механическую энергию вращения.

Даррие VAWTs

Ветровые турбины Darrieus с вертикальной осью используют принцип подъемной силы для преобразования энергии ветра в механическую энергию вращения и более эффективны, чем турбины с вертикальной осью типа Savonius. Ветровые турбины Darrieus с вертикальной осью используют лопасти, имеющие поперечное сечение в форме крыла самолета. Когда ветер проходит над лопастью, эффект аэродинамического профиля создает подъемную силу, и это то, что вращает турбину (см. схему ниже).

Аэродинамические лопатки турбины Дарье могут иметь прямую, изогнутую или спиральную форму (см. схему ниже).

Это все турбины Дарье — лопасти ротора представляют собой те же самые аэродинамические профили, создающие подъемную силу, но в разных конфигурациях.

Спиральная конфигурация, пожалуй, наиболее интересна, поскольку она позволяет разместить более длинную лопасть с аэродинамическим профилем в той же зоне вращения, что и турбина с прямыми лопастями, тем самым захватывая больше ветра и повышая эффективность. 

Другие конструкции турбин

Хотя большинство ветряных турбин попадают в эти две основные категории (с вертикальной осью и горизонтальной осью), существуют различные экспериментальные конструкции, которые отходят от обычной конфигурации этих двух конструкций.

Ветряное Дерево

«Ветряное дерево», созданное парижской компанией New World Wind, основано на вертикальной ветряной турбине Савониуса, но его новизна заключается в том, что оно использует множество небольших турбин, расположенных так, чтобы они напоминали листья на дереве, что создает декоративный городской элемент.

Вихрь без лезвия

Vortex Bladeless — испанская компания, которая использовала совершенно другой метод извлечения кинетической энергии из ветра. Их «турбина» совсем не похожа на обычную турбину, поскольку она не вращается.

Система Vortex Bladeless использует высокую мачту в форме столба, которая извлекает энергию из ветра с помощью техники, называемой резонансом, вызванным вихрем. Когда ветер проходит мимо столба, он вызывает турбулентность позади него, что заставляет столб колебаться или «вибрировать» вперед и назад, и именно эта механическая энергия приводит в действие линейный генератор переменного тока, тем самым генерируя электрический ток.

Поскольку ветрогенераторы такого типа не имеют вращающихся лопастей, они не представляют опасности для перелетных птиц и диких животных.

Турбины с приводом от транспортных средств

Ряд компаний начали разрабатывать небольшие вертикально-осевые ветровые турбины, которые можно размещать в центральной зоне автомагистралей и автострад. Вместо того, чтобы приводиться в движение «естественным» ветром, эти турбины вращаются турбулентностью, вызванной постоянным потоком транспортных средств, проезжающих на высокой скорости. Таким образом, хотя они по-прежнему являются обычными вертикально-осевыми ветровыми турбинами, ситуация, в которой они применяются, является новой.

Ветровая турбина с поперечной осью вращения (CAWT)

Ветряная турбина с поперечной осью — это экспериментальная конструкция вертикальной осевой турбины, которая использует как горизонтальные, так и вертикальные лопасти турбины в новой сшитой конфигурации. С тремя вертикальными лопастями и шестью горизонтальными лопастями она может улавливать энергию ветра, поступающую как с горизонтального, так и с вертикального направления. Исследования показали, что она в 2.5 раза эффективнее обычной вертикальной осевой турбины при тех же ветровых условиях.

Градирня с восходящим потоком турбины

Эта конструкция предлагает новую конфигурацию вертикальной оси ветряной турбины Дарье, ориентированной горизонтально и расположенной наверху градирен. Восходящий поток отработанного воздуха из башни, вместо того, чтобы выбрасываться в атмосферу, используется для привода турбины.