Typy veterných turbín HAWT, VAWT a ďalšie vysvetlené

Drvivá väčšina veterné turbíny vidieť po celom kraji na veterných farmách (na pobreží aj na mori) sú štandardné 3 lopatkové konštrukcie. Existuje však množstvo rôznych štýlov/typov turbín a spôsob, akým využívajú kinetickú energiu z vetra, je úplne odlišný.

Dva hlavné typy veterných turbín sú horizontálna os a vertikálna os. Veterné turbíny s horizontálnou osou majú os otáčania orientovanú horizontálne. Zvyčajne majú 3 čepele a sú navrhnuté tak, aby čelili vetru. Veterné turbíny s vertikálnou osou majú os otáčania zarovnanú vertikálne a sú navrhnuté tak, aby využívali kinetickú energiu v opačnom smere.

Okrem veterných turbín s horizontálnou osou a zvislou osou existujú aj ďalšie iterácie turbíny, ktoré stoja za preskúmanie.

Najbežnejším typom veternej turbíny je „veterná turbína s horizontálnou osou“. Označuje sa ako horizontálna os, pretože rotačná os leží horizontálne (pozri obrázok nižšie)

Veterné turbíny s horizontálnou osou musia smerovať priamo do vetra, aby fungovali s maximálnou účinnosťou, a celá hlava je navrhnutá tak, aby sa otáčala smerom k vetru. Keď vietor mení smer, hlava sa musí otáčať (alebo „vybočiť“), aby zostala nasmerovaná do vetra.

Veterné turbíny s horizontálnou osou sa vyberajú pre veterné farmy na mori a veterné farmy na pobreží, kde je pôda prevažne plochá a otvorená, pretože pracujú efektívnejšie ako turbíny s vertikálnou osou v oblastiach, kde vietor nie je turbulentný.

Postavené pre Veľkosť

Zatiaľ čo existuje množstvo malých veterných turbín s horizontálnou osou, ktoré sú komerčne dostupné pre energeticky uvedomelých majiteľov domov, jednou z ich veľkých výhod je, že sa dobre škálujú na výrobu a dajú sa postaviť VEĽMI VEĽKÉ. To je ďalší dôvod, prečo sa používajú pre veterné elektrárne. Je oveľa efektívnejšie z hľadiska nákladov postaviť a prevádzkovať jednu 10 megawattovú (MW) turbínu ako päť 2 MW turbín.

Najväčšou veternou turbínou na svete (od leta 2021) je turbína Vestas V236 s menovitým výkonom 15 megawattov (MW). Má priemer lopatkového rotora 236 m – viac ako dvojnásobok výšky Sochy slobody! Jedno jediné otočenie jeho nožov poskytne dostatok elektriny na chod priemernej domácnosti na jeden deň.

Veterné turbíny s vertikálnou osou

Menej efektívnou a menej bežnou turbínou je „veterná turbína s vertikálnou osou“. Označuje sa ako vertikálna os, pretože rotačná os je zarovnaná vertikálne nahor.

Nie je možné stavať turbíny s vertikálnou osou vo veľkých mierkach, aké vidíme vo veterných farmách s turbínami s horizontálnou osou. Najväčšia veterná turbína s vertikálnou osou, aká bola kedy postavená, bola 110 m vysoká, 3.8 MW turbína „ÉOLE“ v Quebecu v Kanade. Ložisko rotora však v roku 1993 zlyhalo pod hmotnosťou 880 ton, ktoré muselo niesť. Odvtedy je mimo prevádzky a dnes je pre turistov kuriozitou. Je veľmi nepravdepodobné, že by sa niekto pokúsil postaviť turbínu s vertikálnou osou väčšiu ako je táto kvôli technickým problémom spojeným s priamou podporou takých ťažkých závaží na jednom ložisku.

Postavené pre flexibilitu

Hoci sú menšie, hlavnou výhodou, ktorú veterné turbíny s vertikálnou osou majú oproti horizontálnej, je to, že sa nemusia natáčať. Po celý čas zbierajú veternú energiu zo všetkých smerov. Vďaka spôsobu, akým sú lopatky navrhnuté, sa vždy otáčajú rovnakým smerom, bez ohľadu na to, odkiaľ vietor prichádza.

Vďaka tomu sú veterné turbíny s vertikálnou osou lepšie pri zachytávaní veternej energie na strechách miest a v zastavaných oblastiach, kde turbulentný vietor neustále mení smer.

Veterné turbíny s vertikálnou osou zaberajú menej miesta ako ekvivalentný výkon Turbína s horizontálnou osou a často sa vyberajú pre oblasti s obmedzeným priestorom.

Rôzne typy VAWT

Existujú dva hlavné návrhy veterných turbín s vertikálnou osou, nazývané Savonius a Darrieus. Tieto návrhy sa značne líšia v spôsobe, akým zachytávajú veternú energiu.

Savonius VAWT

Veterné turbíny v štýle Savonius s vertikálnou osou využívajú princíp odporu na premenu veternej energie na mechanickú rotačnú energiu. Fungujú ako lopatka, tvarovaná tak, aby zachytávala vietor vstupujúci do turbíny, čím vytvára odpor a tým ju núti otáčať sa (pozri obrázok nižšie). Bez ohľadu na to, z ktorého smeru vietor prichádza, vždy zasiahne prednú aj zadnú časť naberača – ale zaoblená zadná časť naberača vytvára menší odpor, čím umožňuje otáčanie turbíny. To však znamená, že veterná turbína Savonius s vertikálnou osou dokáže premeniť nanajvýš 15 % veternej energie na mechanickú rotačnú energiu.

Darrieus VAWTs

Veterné turbíny Darrieus s vertikálnou osou využívajú princíp zdvihu na premenu veternej energie na mechanickú rotačnú energiu a sú efektívnejšie ako turbíny v štýle Savonius so zvislou osou. Veterné turbíny Darrieus s vertikálnou osou používajú lopatky, ktoré majú prierez v tvare krídla lietadla. Keď vietor prechádza cez lopatku, efekt krídla vytvára vztlak a to je to, čo otáča turbínu (pozri obrázok nižšie).

Lopatky krídla Darrieusovej turbíny môžu mať buď priamy, zakrivený alebo špirálový tvar (pozrite si obrázok nižšie).

Všetko sú to Darrieusove turbíny – lopatky rotora sú všetky rovnaké krídla vytvárajúce vztlak, ale v rôznych konfiguráciách.

Špirálovitá konfigurácia je možno najzaujímavejšia, pretože umožňuje, aby sa dlhší list krídla nachádzal v rovnakej rotačnej oblasti ako turbína s rovnými lopatkami, čím sa zachytáva viac vetra a zvyšuje sa účinnosť. 

Iné konštrukcie turbín

Zatiaľ čo väčšina veterných turbín spadá do týchto dvoch hlavných kategórií (vertikálna os a horizontálna os), existujú rôzne experimentálne návrhy, ktoré sa vzďaľujú od bežnej konfigurácie týchto dvoch návrhov.

Veterný strom

„Veterný strom“ postavený spoločnosťou New World Wind so sídlom v Paríži je založený na Savoniusovej veternej turbíne s vertikálnou osou, no je nový v tom, že využíva mnoho malých turbín usporiadaných tak, aby vyzerali ako listy na strome, aby vytvorili dekoratívny mestský prvok. .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless je španielska spoločnosť, ktorá využila úplne iný spôsob získavania kinetickej energie z vetra. Ich „turbína“ vôbec nevyzerá ako bežná turbína, keďže sa neotáča.

Systém Vortex Bladeless využíva vysoký stožiar v tvare stĺpa, ktorý získava energiu z vetra pomocou techniky nazývanej vírom indukovaná rezonancia. Keď vietor míňa stĺp, spôsobuje za ním turbulencie, čo spôsobuje, že stĺpik osciluje alebo „vibruje“ tam a späť, a práve táto mechanická energia poháňa lineárny alternátor, čím generuje elektrický prúd.

Keďže nemajú rotujúce lopatky, tento štýl veterného generátora nepredstavuje nebezpečenstvo pre migrujúce vtáky alebo voľne žijúce zvieratá.

Turbíny poháňané vozidlom

Niekoľko spoločností začalo s vývojom malých veterných turbín s vertikálnou osou, ktoré môžu byť umiestnené v centrálnej rezervácii diaľnic a diaľnic. Namiesto toho, aby boli poháňané „prirodzeným“ vetrom, sú to turbulencie spôsobené neustálym prúdom vozidiel prechádzajúcich vysokou rýchlosťou, ktoré otáčajú tieto turbíny. Takže aj keď sú to stále konvenčné veterné turbíny s vertikálnou osou, situácia, na ktorú sa používajú, je nová.

Veterná turbína s priečnou osou (CAWT)

Veterná turbína s priečnou osou je experimentálna konštrukcia turbíny s vertikálnou osou, ktorá využíva horizontálne aj vertikálne lopatky turbíny v novej zosieťovanej konfigurácii. S tromi vertikálnymi lopatkami a šiestimi horizontálnymi lopatkami dokáže zachytiť veternú energiu prichádzajúcu z horizontálneho aj vertikálneho smeru. Štúdie zistili, že pri rovnakých veterných podmienkach bola 2.5-krát efektívnejšia ako konvenčná turbína s vertikálnou osou.

Vzostupná turbína chladiacej veže

Tento návrh navrhuje novú konfiguráciu veternej turbíny Darrieus s vertikálnou osou, orientovanej horizontálne a umiestnenej na vrchole chladiacich veží. Na pohon turbíny sa namiesto toho, aby sa plytval do atmosféry, používa stúpajúci prúd z prúdenia odpadového vzduchu z veže.