Типы ветряных турбин HAWT, VAWT и другие — объяснение

Подавляющее большинство ветряные турбины которые можно увидеть по всему миру на ветропарках (как наземных, так и морских) — это стандартные трехлопастные конструкции. Однако существует несколько различных стилей/типов турбин, и способ, которым они используют кинетическую энергию ветра, довольно отличается.

Два основных типа ветряных турбин — это горизонтальная и вертикальная оси вращения. Горизонтальные ветряные турбины имеют вращающуюся ось, ориентированную горизонтально. Как правило, они имеют три лопасти и предназначены для того, чтобы быть направленными против ветра. Вертикальные ветряные турбины имеют вращающуюся ось, выровненную вертикально, и предназначены для использования кинетической энергии в противоположном направлении.

Помимо горизонтальных и вертикальных ветряных турбин существуют и другие варианты турбин, которые заслуживают внимания.

Наиболее распространенный тип ветряной турбины — это «Горизонтальная Ветровая Турбина». Она называется горизонтальной, потому что вращающаяся ось расположена горизонтально (см. диаграмму ниже).

Горизонтальные ветровые турбины должны быть направлены прямо против ветра, чтобы работать с максимальной эффективностью, и вся их головная часть спроектирована так, чтобы поворачиваться навстречу ветру. По мере изменения направления ветра головная часть должна поворачиваться (или « yaw »), чтобы оставаться направленной против ветра.

Горизонтальные ветровые турбины выбираются для офшорных ветропарков и наземных ветропарков, где местность в основном плоская и открытая, поскольку они работают более эффективно, чем вертикальные турбины, в районах, где ветер не турбулентен.

Построены для размера

Хотя существует множество малогабаритных горизонтальных ветрогенераторов, доступных для экологически сознательных владельцев домов, одно из их больших преимуществ заключается в том, что они хорошо масштабируются для производства и могут быть построены ОЧЕНЬ БОЛЬШИМИ. Это еще одна причина, почему они используются на ветропарках. Гораздо более экономично построить и эксплуатировать один турбину мощностью 10 мегаватт (МВт), чем пять турбин мощностью 2 МВт каждая.

Самый большой ветрогенератор в мире (на лето 2021 года) — это турбина Vestas V236, с номинальной выходной мощностью 15 мегаватт (МВт). У нее есть лопасти с диаметром ротора 236 метров — больше, чем двойная высота Статуи Свободы! Одного единственного оборота ее лопастей достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией средний дом в течение дня.

Вертикальные ветрогенераторы

Менее эффективный и менее распространенный тип турбины — это «вертикальный ветрогенератор». Он называется вертикальным, потому что его вращающаяся ось направлена вертикально вверх.

Невозможно строить турбины с вертикальной осью в таких крупных масштабах, как мы видим это у турбин с горизонтальной осью на ветровых фермах. Самая большая турбина с вертикальной осью, когда-либо построенная, это 110-метровая, 3.8МВт турбина "ÉOLE" в Квебеке, Канада. Однако в 1993 году подшипник ротора вышел из строя под весом в 880 тонн, который ему приходилось поддерживать. С тех пор она не функционирует и теперь является любопытным объектом для туристов. Очень маловероятно, что кто-либо попытается построить турбину с вертикальной осью больше этой из-за инженерных проблем, связанных с поддержанием таких больших весов на одном подшипнике.

Построена для гибкости

Хотя они меньше по размеру, основное преимущество турбин с вертикальной осью перед турбинами с горизонтальной осью заключается в том, что им не нужно поворачиваться вслед за ветром. Они собирают энергию ветра со всех направлений в любое время. Из-за особенностей конструкции лопастей они всегда вращаются в одном направлении, независимо от того, откуда дует ветер.

Это делает вертикальные ветрогенераторы более эффективными при захвате энергии ветра на крышах зданий и в застроенных районах, где турбулентный ветер постоянно меняет направление.

Вертикальные ветрогенераторы занимают меньше места, чем аналогичная по мощности горизонтальная турбина, и часто выбираются для областей, где пространство ограничено.

Различные типы ВВТ

Существует два основных типа вертикальных ветрогенераторов, называемых Савониус и Дарье. Эти конструкции значительно различаются способом захвата энергии ветра.

Ветрогенераторы Савониус

Ветрогенераторы вертикальной оси типа Савониус используют принцип сопротивления для преобразования энергии ветра в механическую вращательную энергию. Они работают как лопата, имеющая форму, которая ловит входящий ветер, создавая сопротивление и таким образом заставляя её вращаться (см. диаграмму ниже). Независимо от направления ветра, он всегда будет воздействовать как на переднюю, так и на заднюю часть лопасти – но закруглённая задняя часть создаёт меньшее сопротивление, что позволяет турбине вращаться. Однако это означает, что ветрогенератор вертикальной оси типа Савониус может преобразовать не более 15% энергии ветра в механическую вращательную энергию.

Ветрогенераторы вертикальной оси Дарриуса

Ветрогенераторы вертикальной оси типа Дарриус используют принцип подъёмной силы для преобразования энергии ветра в механическую вращательную энергию и эффективнее ветрогенераторов вертикальной оси типа Савониус. У ветрогенераторов Дарриус лопасти имеют профиль, похожий на крыло самолёта. Когда ветер проходит через лопасть, аэродинамический эффект создаёт подъёмную силу, и именно это вращает турбину (см. диаграмму ниже).

Лопасти аэрофойла у турбины Дарриус могут быть либо прямыми, либо изогнутыми, либо иметь спиральную форму (см. диаграмму ниже).

Это все турбины Дарриус – роторные лопасти являются одинаковыми аэрофойлами, создающими подъёмную силу, но в разных конфигурациях.

Спиральная конфигурация, возможно, наиболее интересна, поскольку она позволяет разместить более длинный аэрофойл в том же вращающемся пространстве, что и у турбины с прямыми лопастями, тем самым захватывая больше ветра и повышая эффективность.

Другие конструкции турбин

Хотя большинство ветряных турбин относится к этим двум основным категориям (вертикальная и горизонтальная ось), были разработаны различные экспериментальные конструкции, которые отходят от стандартной конфигурации этих двух типов.

Ветровое дерево

«Ветровое дерево», созданное парижской компанией New World Wind, основано на вертикальной ветряной турbine типа Савониус, но оно уникально тем, что использует множество маленьких турбин, расположенных так, чтобы выглядеть как листья на дереве, создавая декоративный городской элемент.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless — это 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 высокий, столбовидный мачту, которая извлекает энергию из ветра с помощью техники, называемой вихревым резонансом. Когда ветер проходит мимо столба, он создает турбулентность позади него, что заставляет столб колебаться или 'вибрировать' вперед и назад, и именно эта механическая энергия приводит линейный альтернатор, тем самым генерируя электрический ток.

Так как у них нет вращающихся лопастей, этот тип ветрогенератора не представляет опасности для мигрирующих птиц или дикой природы.

Турбины, приводимые в действие автомобилями

Несколько компаний начали разрабатывать малогабаритные вертикальные осевые ветрогенераторы, которые можно установить в центральной полосе разделения автострад и шоссе. Вместо того чтобы быть приводимыми 'естественным' ветром, это турбулентность, вызванная постоянным потоком автомобилей, движущихся на высокой скорости, которая вращает эти турбины. Таким образом, хотя они все еще являются обычными вертикальными осевыми ветрогенераторами, новизна заключается в ситуации их применения.

Ветроустановка с поперечной осью (CAWT)

Ветроустановка с поперечной осью — это экспериментальный дизайн вертикальной ветроустановки, который использует как горизонтальные, так и вертикальные лопасти в новой перекрёстной конфигурации. С тремя вертикальными лопастями и шестью горизонтальными лопастями она может улавливать энергию ветра, движущуюся как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении. Исследования показали, что она на 2.5 раза эффективнее обычной вертикальной ветроустановки при тех же условиях ветра.

Турбина восходящего потока охлаждающей башни

Этот дизайн предлагает новую конфигурацию вертикальной ветроустановки типа Дарье, ориентированной горизонтально и расположенной на вершине охлаждающих башен. Восходящий поток от выбросов воздуха из башни, вместо того чтобы быть потерянным в атмосферу, используется для привода турбины.