Typer av vindkraftverk HAWT, VAWT och mer förklarade

Den stora delen av Vindkraftverk som ses runt om i landet på vindparker (både på land och offshore) är standard 3-bladsdesigner. Dock finns det ett antal olika stilar/typer av turbiner och sättet de utnyttjar kinetisk energi från vinden är ganska annorlunda.

De två huvudtyperna av vindturbiner är horisontell-axel och vertikal-axel. Horisontella axels vindturbiner har den roterande axeln orienterad horisontellt. De har vanligtvis tre blad och är konstruerade för att peka mot vinden. Vertikala axels vindturbiner har den roterande axeln justerad vertikalt och är konstruerade för att utnyttja kinetisk energi i motsatt riktning.

Utöver horisontella axels- och vertikala axels vindturbiner finns andra iterationer av turbinen som är intressanta att utforska.

Den vanligaste typen av vindkraftverk är ‘Horizontal Axis Wind Turbine’. Den kallas för horizontal axel eftersom den roterande axeln ligger horisontellt (se diagram, nedan).

De horisontella axlsvindkraftverken måste peka rakt mot vinden för att fungera med maximal effektivitet, och hela huvudet är utformat att vändas för att möta vinden. När vinden ändrar riktning måste huvudet vändas (eller 'yaw') för att fortsätta peka in i vinden.

Horisontella axlsvindkraftverk väljs för offshore-vindparker och onshore-vindparker där marken främst är relativt platt och öppen, eftersom de fungerar mer effektivt än vertikala axlsvindkraftverk i områden där vinden inte är turbulent.

Byggd för storlek

Medan det finns många småskaliga vindturbiner med horisontell axel som är tillgängliga på marknaden för energibevittna husägare, har de en stor fördel: de skalas bra för produktion och kan byggas MYCKET STORA. Detta är ännu en anledning till varför de används i vindparker. Det är mycket mer kostnadseffektivt att bygga och drifta en 10-megawatt (MW)-turbine än fem 2 MW-turbiner.

Den största vindturbinen i världen (som av sommaren 2021) är Vestas V236-turbinen, med en nominell effektutveckling på 15 megawatt (MW). Den har en rotor diameter på 236 meter – mer än dubbelt så högt som Frihetsgudinnan! En enda rotation av dess blad producerar tillräckligt med el för att driva ett genomsnittligt hushåll i en dag.

Vertikala axel vindturbiner

En mindre effektiv och mindre vanlig turbin är 'vindturbinen med vertikal axel'. Den kallas vertikal axel eftersom den roterande axeln är justerad vertikalt uppåt.

Det är inte möjligt att bygga vertikala axelvindturbiner i de stora skalen som vi ser hos horisontella axelvindparker. Den största vertikala axelvindturbinen som någonsin byggts var den 110 meter höga, 3.8MW ”ÉOLE”-turbinen i Quebec, Kanada. Men rotoraxeln misslyckades 1993 under de 880 ton vikt den måste stödja. Den har varit icke-operationell sedan dess och är nu en nyfikenhet för turister. Det är mycket osannolikt att någon försöker bygga en vertikalaxelvindturbin större än denna på grund av de tekniska problemen med att direkt stödja så tunga vikter på en enda axel.

Byggd för flexibilitet

Även om de är mindre, så har vertikala axelvindturbiner ett huvudsakligt fördel över horisontella axel: de behöver inte rotera för att anpassa sig till vindriktningen. De samlar vindenergi från alla riktningar hela tiden. På grund av hur bladen är utformade, snurrar de alltid i samma riktning, oavsett ifrån vilken håll vinden kommer.

Det gör vertikala axel vindturbiner bättre på att fånga vindenergi på stadsdakar och i byggnadstäta områden där turbulent vindändring ändrar riktning hela tiden.

Vertikala axel vindturbiner tar upp mindre plats än en horisontell axel vindturbin med ekvivalent effekt, och väljs ofta för områden där utrymme är begränsat.

Skilda typer av VAVT

Det finns två huvudsakliga designer av vertikala axel vindturbiner, som kallas Savonius och Darrieus. Dessa designerna skiljer sig mycket i hur de fångar vindenergin.

Savonius VAVT

Savonius-stilens vertikala vindaxlar används principen drag för att omvandla vindenergi till mekanisk rotationsenergi. De fungerar som en skopa, formad för att fånga vinden som träffar turbinen, vilket skapar drag och därmed tvingar den att rotera (se diagram, nedan). Oavsett ifrån vilken riktning vinden kommer, kommer den alltid träffa både framsidan och baksidan av skopan – men den avrundade baksidan på skopan skapar mindre drag, vilket låter turbinen rotera. Dock betyder detta att en Savonius vertikal vindturbin endast kan omvandla högst 15% av vindenergin till mekanisk rotationsenergi.

Darrieus VAWTs

Darrieus vertikalaxlade vindturbiner använder principen om upphöjning för att konvertera vindenergi till mekanisk rotationsenergi och är mer effektiva än Savonius-stilens vertikalaxlade turbiner. Darrieus vertikalaxlade vindturbiner använder blad som har en tvärsnittsform liknande den av ett flygplansvinge. När vinden passerar över bladet skapar aerofoil-effekten upphöjning, och det är detta som roterar turbinen (se diagrammet nedan).

Aerofoil-bladen på en Darrieus-turbin kan antingen vara raka, böjda eller helikala i form (se diagrammet nedan).

Dessa är alla Darrieus-turbiner – rotorbladen är alla samma upphöjnings-skapande aerofoiler, men i olika konfigurationer.

Helikala konfigurationen är kanske den mest intressanta, eftersom den tillåter ett längre aerofoil-blad att placeras inom samma rotationsområde som en rakbladad turbin, därmed fångar mer vind och ökar effektiviteten.

Andra turbinutformningar

Medan de flesta vindkraftverk faller inom dessa två huvudkategorier (vertikal axel och horisontell axel) har det funnits flera experimentella designer som avviker från den vanliga konfigurationen av dessa båda designerna.

Vindträdet

‘Vindträdet’ byggt av det i Paris baserade företaget New World Wind, är baserat på en Savonius vertikalaxels vindkraftverk, men det är nyttigt i att det använder många små turbiner arrangerade för att se ut som löv på ett träd för att skapa en dekorativ stadsfunktion.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless är ett spanskt företag som har utnyttjat en helt annorlunda metod för att extrahera kinetisk energi från vinden. Deras ”turbin” ser inte alls ut som en konventionell turbin, eftersom den inte roterar.

Vortex Bladeless-systemet använder en hög, pelareformad mast, som extraherar energi från vinden med en teknik som kallas för viktor-inducerad resonans. När vinden passerar pelaren orsakar den turbulent bakom den, vilket gör att pelaren svajar eller 'vibrerar' fram och tillbaka, och det är denna mekaniska energin som drar på en linjär alternator, därmed generera en elektrisk ström.

Eftersom de inte har rotande blad utgör denna typ av vindgenerator inget hot mot migrerande fåglar eller vilddjur.

Fordonsseddna Vindturbiner

Ett antal företag har börjat utveckla småskaliga vertikala axel vindturbiner som kan placeras i medianen av motorvägar och superstråtar. I stället för att drivas av 'naturlig' vind så är det turbulent som orsakas av den konstanta strömmen av fordon som passerar på hög hastighet som roterar dessa turbiner. Så även om de fortfarande är konventionella vertikala axel vindturbiner, är det situationen de tillämpas på som är ny.

Korsaxial vindturbin (CAWT)

Den korsaxiala vindturbinen är en experimentell vertikalaxials turbin design som använder både horisontella och vertikala turbinblad i en nyttig korslänkad konfiguration. Med tre vertikala blad och sex horisontella blad kan den fånga vindenergi från både horisontella och vertikala riktningar. Studier visade att den var 2,5 gånger mer effektiv än en konventionell vertikalaxials turbin under samma vindförhållanden.

Kyltorn Uppdragsturbin

Denna design föreslår en ny konfiguration av en Darrieus vertikalaxials vindturbin, orienterad horisontellt och placerad på toppen av kyltornen. Det uppvindande luftflödet från tornets utsläppsluft, istället för att spillas till atmosfären, används för att driva turbinen.