Typy veterných turbín HAWT, VAWT a ďalšie vysvetlené

Veľká väčšina veterné turbíny viditeľné po krajině na veterných farmách (jak na pevnine, tak na mori) sú štandardnou 3-čerpalovou konštrukciou. Napriek tomu existuje niekoľko rôznych štýlov/typov turbín a spôsob, akým využívajú kinetickú energiu z vetrá, je docela iný.

Dva hlavné typy veterných turbín sú s vodorovnou osou a svislou osou. Veterné turbíny s vodorovnou osou majú otáčavú os orientovanú vodorovne. Typicky majú 3 čerpy a sú navrhnuté tak, aby boli otočené proti vetru. Veterné turbíny so svislou osou majú zarovnanú otáčavú os vertikálne a sú navrhnuté tak, aby využívali kinetickú energiu v opačnom smere.

Okrem veterných turbín s vodorovnou a svislou osou existujú aj iné iterácie turbín, ktoré stojí za to sa im venovať.

Najčastejší typ veterného turbíny je 'Veterná turbína s vodorovnou osou'. Hovorí sa o nej ako o vodorovnej osi, pretože otáčacia os leží vodorovne (pozri diagram nižšie).

Veterné turbíny s vodorovnou osou musia ukazovať priamo do vetra, aby fungovali s maximálnou účinnosťou, a celá hlava je navrhnutá tak, aby sa otáčala proti vetru. Keď sa smer vánu mení, hlava sa musí otočiť (alebo 'yaw') tak, aby zostala namierená proti vetru.

Veterné turbíny s vodorovnou osou sa vyberajú na morské veterné farmy a pozemné veterné farmy, kde je pôda predovšetkým rovina a otvorená, pretože pracujú efektívnejšie ako turbíny s zvislou osou v oblastiach, kde nie je vítr turbulentný.

Postavené na veľkosť

Pokiaľ existuje veľa komerčne dostupných malomerých větrníc so zvislou osou určených pre domácnosti, ktoré sú vedomé o spotrebe energie, jedným z ich hlavných predností je, že sa dobre škáluje na výrobu a môžu byť POSTAVENÉ VEĽMI VEĽKÉ. To je ďalší dôvod, prečo sa používajú v veterných farmách. Je mnohem ekonomičnejšie postaviť a prevádzať jednu 10 megawattovú (MW) turbínу, ako päť 2 MW turbine.

Najväčšia veterná turbína na svete (od leta 2021) je turbína Vestas V236, s nominálnym výstupom 15 megawattov (MW). Má priemer rotoru dlhý 236m – viac než dvojnásobok výšky Sochy svobody! Jedno jediné otočenie jej lopatiek poskytne dostatočné množstvo elektriny na prevodu priemerného domácnosť počas celého dňa.

Vertikálne osi veterné turbíny

Menej efektívna a menej bežná turbína je 'Veterná turbína so zvislou osou'. Označuje sa ako zvislá osa, pretože je jej rotujúca os radena zvisle hore.

Nie je možné staviť turbine s vertikálnou osou v takých veľkých rozmeroch, aké vidíme pri farmách větrníc so zvislou osou. Najväčšia veta s vertikálnou osou kedy bola postavená bola 110 metrová, 3,8MW „ÉOLE“ turbina v Quebece, Kanada. Avšak ložisko rotoru sa zlomilo v roku 1993 pod váhou 880 ton, ktorú muselo podpierať. Od takej doby je neoperabilná a teraz je zvedavosťou pre turistov. Je veľmi nepravdepodobné, že by niekto skúsil postaviť vetru s vertikálnou osou väčšiu ako táto kvôli inžinierskym problémom spojeným s priamym podporovaním takých ťažkých hmotností na jednom ložisku.

Postavené na flexibilite

I keď sú menšie, hlavnou výhodou vetier s vertikálnou osou pred tými s horizontálnou osou je, že nemusia vykonávať otáčanie (yaw). Sbierajú větrnú energiu zo všetkých smerov počas celého času. Kvôli spôsobu, akým sú navrhnuté lopatky, sa vždy točia rovnakým smerom, bez ohľadu odkiaľ vanie vietra.

To urobí vertikálne osi veterné turbíny lepšími pri zachytávaní energie vety na strechách budov v mestách a vo vybudovaných oblastiach, kde je turbulentná veta, ktorá neustále mení smer.

Vertikálne osi veterné turbíny zabierajú menej miesta ako ekvivalentná horizontálna osová turbína, a často sa ich vybavuje pre priestory, kde je ohraničené miesto.

Rôzne typy VAWT

Existujú dva hlavné dizajny vertikálnych osí veterných turbín, nazývané Savonius a Darrieus. Tieto dizajny sú veľmi odlišné v spôsobe, akým zachytávajú energiu vety.

Savonius VAWTs

Turbíny s vertikálnou osou typu Savonius používajú princíp odporu na prevod energie vietra na mechanickú otáčavú energiu. Fungujú ako lopatka, tvarovaná tak, aby chytila vietor vstupujúci do turbíny, čo vytvára odpor a tak ju núti rotovať (pozri diagram nižšie). Bez ohľadu na smer, odkiaľ vieje vítr, vždy zasiahne oboje strany lopatky – prednú aj zadnú – no zaoblená zadná strana lopatky vytvára menej odporu, čím sa umožní rotácia turbíny. Avšak toto znamená, že turbína s vertikálnou osou typu Savonius môže previesť najviac 15% energie vietra na mechanickú otáčavú energiu.

Darrieus VAWTs

Veterné turbíny s vertikálnou osou typu Darrieus používajú princíp zvedavosti na prevod energie vetra na mechanickú otočnú energiu a sú efektívnejšie ako veterné turbíny s vertikálnou osou typu Savonius. Veterné turbíny s vertikálnou osou typu Darrieus používajú lopatky, ktoré majú prierez tvaru krídla lietadla. Keď vetier prechádza cez lopatku, aerodynamický účinok vytvára zvedavosť, a to je čo otáča turbínu (pozri diagram nižšie).

Aerodynamické lopatky turbíny typu Darrieus môžu byť buď priamé, zakrivené alebo špirálovité v tvare (pozri diagram nižšie).

Sú to všetky turbíny typu Darrieus – rotorné lopatky sú všetky rovnaké lopatky vytvárajúce zvedavosť, no v rôznych konfiguráciách.

Špirálová konfigurácia je možno najzaujímavejšia, pretože umožňuje umiestniť dlhšiu aerodynamickú lopatku do rovnakej otočnej plochy ako priamolopatková turbína, čím zachytili viac vetra a zvýšili efektívnosť.

Ďalšie dizajny turbín

Pokiaľ väčšina veterných turbín spadá do týchto dvoch hlavných kategórií (vertikálna os a horizontálna os), objavili sa rôzne experimentálne dizajny, ktoré sa vzdialujú bežnej konfigurácii týchto dvoch typov.

Veterný Strom

‘Veterný strom’ postavený parížskou spoločnosťou New World Wind je založený na Savoniovom vertikálnom axeovom vetromere, no je novatorický tým, že používa veľa malých turbín usporiadaných tak, aby vyzerali ako listy na strome, čo vytvára dekoratívnu mestoorskú príslušnosť.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless je španielska spoločnosť, ktorá využila úplne iný spôsob extrahovania kinetickej energie z vietra. Ich „turbína“ vôbec nevyzerá ako bežná turbína, pretože sa nepotáča.

Systém Vortex Bladeless používa vysoký, slúpcovitý stĺp, ktorý extrahuje energiu z viede pomocou techniky známej ako vírindukovaná rezonancia. Keď vietra prechádza slúpcom, spôsobí to za ním turbulentnosť, čo spôsobuje osciláciu alebo 'vibráciu' slúpu dopredu a dozadu, a práve táto mechanická energia pohania lineárny alternátor, tým generujúc elektrický prúd.

Pokiaľ nemajú žiadne rotujúce lopatky, tento typ generátora vietra ne predstavuje nebezpečenstvo pre migrujúcich ptákov alebo diváciu.

Turbíny pohánene vozidlami

Početných spoločností začal vyvíjať malomeré vertikálne osiOVE turbíny, ktoré sa môžu umiestniť v strede dálníc a diaľnic. Namiesto aby boli pohánené 'prirodzeným' vietrom, je to turbulentnosť spôsobená konštantným prúdom vozidiel prechádzajúcich vysokou rýchlosťou, čo rotuje tieto turbíny. Takže, hoci sú to stále konvenčné vertikálne osiOVE turbíny, je to situácia, v ktorej sa používajú, čo je nové.

Križová vetrová turbína (CAWT)

Križová vetrová turbína je experimentálny navrh vertikálnej vetrovej turbíny, ktorý používa oboje horizontálne a vertikálne vetrové listy v inovatívnej krížovej konfigurácii. S tromi vertikálnymi a šiestimi horizontálnymi listmi môže zachytávať veternú energiu prichádzajúcu z oboch horizontálnych a vertikálnych smerov. Štúdie zistili, že je 2,5-krát efektívnejšia ako konvenčná vertikálna vetrová turbína v rovnakých veterných podmienkach.

Turbína na tepelný vzduchový tok chladicích veží

Tento návrh predkladá novú konfiguráciu Darrieusovej vertikálnej vetrovej turbíny, orientovanú horizontálne a umiestnenú na vrchoch chladicích veží. Vzduchový vzostup od výfukového vzduchu z veže, namiesto toho, aby sa stratil do atmosféry, sa používa na pohánanie turbíny.