Typer av vindturbiner HAWT, VAWT och mer förklaras

De allra flesta av vindkraftverk ses runt om i länet på vindkraftsparker (både on-shore och off-shore) är standard design med 3 blad. Det finns dock ett antal olika stilar/typer av turbiner och sättet på vilket de utnyttjar kinetisk energi från vinden är helt olika.

De två huvudtyperna av vindturbiner är horisontell axel och vertikal axel. Vindkraftverk med horisontell axel ha den roterande axeln horisontellt orienterad. De har vanligtvis 3-blad och är designade att vända mot vinden. Vindkraftverk med vertikal axel har den roterande axeln vertikalt inriktad och är utformade för att utnyttja kinetisk energi i motsatt riktning.

Förutom horisontella och vertikala vindkraftverk finns det andra iterationer av turbinen som är värda att utforska.

Den vanligaste typen av vindkraftverk är "Horizontal Axis Wind Turbine". Det kallas en horisontell axel eftersom den roterande axeln ligger horisontellt (se diagram nedan)

Vindkraftverken med horisontell axel måste peka direkt in i vinden för att fungera med maximal effektivitet, och hela huvudet är utformat för att vända sig mot vinden. När vinden ändrar riktning, så måste huvudet vända (eller "gira") för att fortsätta peka mot vinden.

Horisontella vindkraftverk väljs för havsbaserade vindkraftsparker och landbaserade vindkraftsparker där marken till stor del är platt och öppen, eftersom de fungerar mer effektivt än vertikalaxlade turbiner i områden där vinden inte är turbulent.

Byggd för storlek

Även om det finns gott om småskaliga vindkraftverk med horisontella axlar kommersiellt tillgängliga för energimedvetna husägare, är en av deras stora fördelar att de kan skalas väl för tillverkning och kan byggas MYCKET STORT. Detta är ytterligare en anledning till att de används för vindkraftsparker. Det är mycket mer kostnadseffektivt att bygga och driva en 10 megawatt (MW) turbin än fem 2 MW turbiner.

Det största vindturbinen i världen (från och med sommaren 2021) är Vestas V236-turbinen, med en märkeffekt på 15 megawatt (MW). Den har en bladrotordiameter på 236 m – mer än dubbelt så hög som Frihetsgudinnan! En enda rotation av dess blad ger tillräckligt med el för att driva ett genomsnittligt hushåll under en dag.

Vindkraftverk med vertikal axel

En mindre effektiv och mindre vanlig turbin är 'Vertical Axis Wind Turbine'. Det kallas vertikal axel eftersom den roterande axeln är riktad vertikalt uppåt.

Det är inte möjligt att bygga turbiner med vertikala axlar i den stora skalan vi ser i vindkraftsparker med horisontella axlar. Det största vindturbinen med vertikal axel som någonsin byggts var den 110 m höga, 3.8 MW "ÉOLE"-turbinen i Quebec, Kanada. Men rotorlagret misslyckades 1993 under den vikt på 880 ton det var tvungen att bära. Det har varit ur drift sedan dess och är nu en kuriosa för turister. Det är högst osannolikt att någon kommer att försöka bygga en turbin med vertikal axel som är större än så här på grund av de tekniska problem som är förknippade med att direkt stödja sådana tunga vikter på ett enda lager.

Byggd för flexibilitet

Även om de är mindre, är den största fördelen som vindkraftverk med vertikala axlar har framför horisontella axlar att de inte behöver gira. De samlar vindenergi från alla håll hela tiden. På grund av hur bladen är utformade snurrar de alltid i samma riktning, oavsett varifrån vinden kommer.

Detta gör vindkraftverk med vertikala axlar bättre på att fånga vindenergi i stadstak och bebyggda områden där den turbulenta vinden ändrar riktning hela tiden.

Vindkraftverk med vertikal axel tar mindre plats än en motsvarande effekt Horisontell axelturbin och väljs ofta för områden där utrymmet är begränsat.

Olika typer av VAWT

Det finns två huvudkonstruktioner av vindkraftverk med vertikal axel, kallade Savonius och Darrieus. Dessa konstruktioner är ganska olika i sättet de fångar vindenergin.

Savonius VAWTs

Vindkraftverk med vertikal axel i Savonius-stil använder dragprincipen för att omvandla vindenergi till mekanisk rotationsenergi. De fungerar som en skopa, formade för att fånga vinden som kommer in i turbinen, skapa drag och därmed tvinga den att rotera (se diagram nedan). Oavsett vilken riktning vinden kommer från kommer den alltid att träffa både fram- och baksidan av skopan – men den rundade baksidan av skopan skapar mindre motstånd, vilket gör att turbinen kan rotera. Detta innebär dock att ett Savonius vindkraftverk med vertikal axel endast kan omvandla som bäst 15 % av vindenergin till mekanisk rotationsenergi.

Darrieus VAWTs

Darrieus vindkraftverk med vertikal axel använder hissprincipen för att omvandla vindenergi till mekanisk rotationsenergi och är mer effektiva än vertikalaxelturbiner i Savonius-stil. Darrieus vindturbiner med vertikal axel använder blad som har ett tvärsnitt format som vingarna på ett flygplan. När vinden passerar över bladet skapar aerofoil-effekten ett lyft, och det är detta som roterar turbinen (se diagram nedan).

Aerofoil-bladen på en Darrieus-turbin kan antingen vara raka, krökta eller spiralformade (se diagram nedan).

Dessa är alla Darrieus-turbiner – rotorbladen är alla samma lyftskapande aerofoils, men i olika konfigurationer.

Den spiralformade konfigurationen är kanske den mest intressanta, eftersom den tillåter ett längre aerofoil-blad att hållas inom samma rotationsområde som en rakbladig turbin, och därigenom fångar upp mer av vinden och ökar effektiviteten. 

Andra turbinkonstruktioner

Medan majoriteten av vindturbiner faller under dessa två huvudkategorier (vertikal axel och horisontell axel) har det funnits olika experimentella konstruktioner som går bort från den normala konfigurationen av dessa två konstruktioner.

Vindträdet

"Wind Tree" byggt av det Paris-baserade företaget New World Wind, är baserat på ett Savonius vindkraftverk med vertikal axel, men det är nytt eftersom det använder många små turbiner arrangerade för att se ut som löv på ett träd för att göra en dekorativ urban funktion .

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless är ett spanskt företag som har använt en helt annan metod för att utvinna kinetisk energi från vinden. Deras "turbin" ser inte alls ut som en konventionell turbin, eftersom den inte roterar.

Vortex Bladeless-systemet använder en hög, pelarformad mast, som extraherar energi från vinden med en teknik som kallas virvelinducerad resonans. När vinden passerar pelaren, orsakar den turbulens bakom den, vilket får pelaren att svänga eller "vibrera" fram och tillbaka, och det är denna mekaniska energi som driver en linjär generator, och därmed genererar en elektrisk ström.

Eftersom de inte har några roterande blad, utgör denna typ av vindgenerator ingen fara för migrerande fåglar eller vilda djur.

Fordonsdrivna turbiner

Ett antal företag har börjat utveckla småskaliga vindkraftverk med vertikal axel som kan placeras i mittreservatet av motorvägar och motorvägar. Snarare än att drivas av "naturlig" vind är det turbulensen som orsakas av den konstanta strömmen av fordon som passerar i hög hastighet som roterar dessa turbiner. Så även om de fortfarande är konventionella vindkraftverk med vertikal axel, är det situationen de tillämpas på som är ny.

Cross-axis vindturbin (CAWT)

Den tväraxlade vindturbinen är en experimentell vertikalaxelturbindesign som använder både horisontella och vertikala turbinblad i en ny tvärbunden konfiguration. Med tre vertikala blad och sex horisontella blad kan den fånga vindenergi som kommer från både horisontella och vertikala riktningar. Studier visade att den var 2.5 gånger effektivare än en konventionell turbin med vertikal axel under samma vindförhållanden.

Kyltorn Updraft Turbin

Denna design föreslår en ny konfiguration av ett Darrieus vindkraftverk med vertikal axel, orienterad horisontellt och placerad på toppen av kyltorn. Uppströmningen från frånluftsflödet från tornet, snarare än att slösas till atmosfären, används för att driva turbinen.