Tipovi vetrenih turbine HAWT, VAWT i drugi objašnjeni

Najveći deo vetroturbine koje se vide širom zemlje na vetroelektrana (i na kopnu i na moru) su standardni dizajni sa tri krpelja. Međutim, postoji više različitih stilova/tipova turbine i način na koji iskoriste kinetičku energiju vjetra je dosta drugačiji.

Dva glavna tipa vetrogenez su horizontalno-osijske i vertikalno-osijske. Horizontalne osijske veterogene imaju rotirajuću os orijentiranu horizontalno. Tipično imaju 3 krpa i dizajnirane su da gledaju prema vetru. Vertikalne osijske veterogene imaju rotirajuću os uspravno poravnatu i dizajnirane su da iskoriste kinetičku energiju u suprotnom smeru.

Osim horizontalnih osijskih i vertikalnih osijskih vetrogenez postoje i druge verzije turbine koje su vredne istraživanja.

Najčešći tip vetrenjaka je 'Horizontal Axis Wind Turbine' (HAWT). Naziva se horizontalnim osnovnim pošto se rotirajuća os nalazi horizontalno (vidi dijagram ispod).

Vetrenjaci sa horizontalnom osnom moraju da pokazuju izravno prema vetru kako bi radili na maksimalnoj efikasnosti, i cijela glava je dizajnirana da se okreće kako bi ostala usmerena prema vjetru. Kada se smjer vjetra promijeni, glava mora se okrenuti (ili 'yaw') kako bi ostala usmerena prema vjetru.

Vetrenjaci sa horizontalnom osnom biraju se za offshore i onshore vetarne farme gdje je teren uglavnom ravnan i otvoren, jer rade efikasnije od vetrenjaka sa vertikalnom osnom u područjima gdje nije turbulentan vjetar.

Izgrađen za veličinu

Dok postoji mnogo malih vetrogena sa horizontalnom oskom koje su komercijalno dostupna za domaćinje koji su svestranja energije, jedan od njihovih velikih prednosti je što se dobro skaliraju za proizvodnju i mogu biti IZGRADJENI VEOMA VELIKI. To je još jedan razlog zašto se koriste u vetroelektrana. Mnogo je ekonomičnije izgraditi i održavati jedan vetrogen od 10 megavata (MW) nego pet vetrogena od 2 MW.

Najveći vetrogen na svetu (kao i leto 2021) je Vestas V236 vetrogen, sa nominalnim izlaznom snagom od 15 megavata (MW). Imaje prečnik lopasti rotora od 236m – više od dva puta visina Statue of Liberty! Jedan jedini okretanje njegovih lopasti pruža dovoljno električne energije da opskrbi prosječnu kućanstvu tokom jednog dana.

Vertikalne osne vetrenje turbine

Manje efikasan i manje često korišćen vetrogenc je 'Vetrogenc sa vertikalnom oskom'. Naziva se vertikalnom oskom jer je rotirajuća oska usmerena vertikalno prema gore.

Nije moguće izgraditi turbine sa vertikalnom oskom u velikim dimenzijama kao što su one koje vidimo u parkovima vjetroplovih turbina sa horizontalnom oskom. Najveća ikada izgrađena vertikalna osna vjetroplovna turbina je bila 110 metara visoka, 3,8MW „ÉOLE“ turbina u Quebeku, Kanadi. Međutim, nosač rotorja je pukao 1993. godine pod težinom od 880 tona koju je morao da podrži. Od tada nije operativna i sada je zanimljivost za turiste. Veoma je malo verovatno da će neko pokušati izgraditi vertikalnu osnu turbinu veću od ove zbog inženjerskih problema povezanih sa direktnim podržavanjem takvih teških težina na jednom nosaču.

Izgrađeno za fleksibilnost

Iako su manje, glavni predak vertikalnih osnih vjetroplovnih turbina nad horizontalnim je da im nije potrebno zakretanje (yaw). One sakupljaju energiju vjetra iz svih pravaca uvek. Zbog načina na koji su dizajnirane lopte, uvijek se okreću u istom smjeru, bez obzira odakle puše vjetar.

To čini vertikalne osne vetrenje turbine boljim rješenjem za hvatanje energije vjetra na krovovima u gradovima i u oblastima sa zgrade, gdje je turbulentni vjetar stalno promijenljiv.

Vertikalne osne vetrenje turbine zauzimaju manje mjesto od ekvivalentne po snazi horizontalne osne turbine, i često se biraju za oblasti gdje je ograničeno mjesto.

Različiti tipovi VAVT-a

Postoji dva glavna dizajna vertikalne osne vetrenje turbine, poznata kao Savonius i Darrieus. Ovi dizajni su dosta različiti u načinu kako prikupljaju energiju vjetra.

Savonius VAVT-ovi

Vertikalne osi turbine sa Savonius stilom koriste princip otpora za pretvarjanje energije vetrova u mehaničku rotacionu energiju. Rade kao lopta, oblika da zatvare vetrove koji ulaze u turbinu, stvarajući otpor i time je prisiljavajući da se rotira (videti dijagram, ispod). Bez obzira iz kojeg smera puše vetrovi, uvek će dodirnuti i prednju i zadnju stranu lopte – ali zakrivljena pozadi lopte stvara manje otpore, time omogućavajući turi da se rotira. Međutim, ovo znači da vertikalna osa turbine sa Savonius stilom može pretvoriti najviše 15% energije vetrova u mehaničku rotacionu energiju.

Darrieus VAWTs

Turbine vertikalne ose Darrieus koriste princip podizanja da pretvore energiju vjetra u mehaničku rotacijsku energiju i su efikasnije od turbine vertikalne ose stil Savonius. Turbine vertikalne ose Darrieus koriste lopatici koje imaju presjek oblika kao krilov letelice. Kada prolazi vjetar preko lopate, aerofoilski efekat stvara podizanje, a to je ono što rotira turbinu (vidi dijagram, ispod).

Aerofoil lopati turbine Darrieus mogu biti ili ravne, zakrivljene ili helikoidalne oblike (vidi dijagram, ispod).

To su sve turbine Darrieus – rotor lopati su svi isti aerofoil koji stvaraju podizanje, ali u različitim konfiguracijama.

Helikoidalna konfiguracija je možda najzanimljivija, jer omogućava dalji aerofoil lopati da bude sadržan unutar iste rotacijske površine kao i turbine sa ravnim lopatama, time prihvatajući više vjetra i povećavajući efikasnost.

Ostale dizajne turbina

Dok većina vetrogrednih turbine pripada ovim dve glavne kategorije (vertikalna os i horizontalna os), bilo je različitih eksperimentalnih dizajna koji se odvijaju od obične konfiguracije ovih dva dizajna.

Vetarsko Dreo

‘Vetarsko Dreo’ izgrađeno od strane pariskog preduzeća New World Wind, bazira se na Savonius vertikalnoj osi vetarne turbine, ali je novatorsko u tome što koristi mnoge male turbine raspoređene da izgledaju kao listovi na drvetu kako bi stvorili dekorativnu urbanu značajku.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless je špansko preduzeće koje je iskoristilo potpuno drugačiji način za izvlačenje kinetičke energije iz vetrova. Njihova ‘turbina’ uopšte ne izgleda kao konvencionalna turbina, jer se ne rotira.

Sistem Vortex Bladeless koristi visok, stubasti mast, koji izvlači energiju iz vetrova koristeći tehniku poznatu kao vorteks-inducirana rezonancija. Kada se vetar pomiče kroz stub, uzrokuje turbulentnost iza njega, što uzrokuje da se stub titra ili 'vibrira' napred i nazad, a upravo je ova mehanička energija koja privodi linearni alternator, time generišući električni tok.

Pošto nemaju rotirajuće lopaste, ovaj tip vetrogeneratorskog sistema ne predstavlja opasnost za migracione ptice ili divlju prirodu.

Turbine sa snage vozila

Broj tvrtki je počeo razvijati male vertikalne osne veterobrane koje mogu biti postavljene u središnji deo autoceste i brzinske ceste. Umjesto da se okreću 'prirodnim' vetrom, turbline se okreću zbog turbulentnosti uzrokovane stalnim tokom vozila koja prolazi visok brzinom. Dakle, iako su to još uvijek konvencionalne vertikalne osne veterobrane, novost je situacija u kojoj se primjenjuju.

Vetrogenerator sa presečnom oskom (CAWT)

Vetrogenerator sa presečnom oskom je eksperimentalni dizajn vertikalnog vetrogeneratorskog rotora koji koristi i horizontalne i vertikalne vetrogene lopove u novoj prepletenoj konfiguraciji. Sa tri vertikalna i šest horizontalnih lopova, može da sakuplja energiju vjetra iz horizontalnih i vertikalnih pravaca. Studije su utvrdile da je 2,5 puta efikasniji od konvencionalnog vertikalnog vetrogeneratorskog rotora u istim uslovima vjetra.

Turbina uz višegrebnog tornja

Ovaj dizajn predlaže novu konfiguraciju Darrieusovog vertikalnog vetrogeneratorskog rotora, orijentisanog horizontalno i smeštenog na vrhu hlađenja tornjeva. Uzdužni tok iz otputnog zraka iz tornja, umesto što bi bio izgubljen u atmosferi, se koristi za pogon turbine.