Хоризонтални и вертикални въздушни турбини: Сравнение

Вятърната енергия е възобновяем и чист източник на електроенергия, който може да намали емисиите на парникови газове и зависимостта от fossile горива. Вятърните турбини са машини, които преобразуват кинетичната енергия на вятъра в електрическа енергия. Има два основни типа вятърни турбини според ориентацията на техния вал: хоризонтални и вертикални.

Какво е хоризонтална вятърна турбина?

Хоризонтална вятърна турбина (HAWT) е дефинирана като вятърна турбина, която има хоризонтален или успореден ос на въртене спрямо земята. HAWTs са най-разпространеният тип вятърни турбини, използвани за големи мащаби производство на електроенергия. Те обикновено имат три лопатки, които приличат на авиационни пропели, макар някои да могат да имат две или една лопатка.

Основните компоненти на HAWT са:

• Ротор, който включва лопатките и хуба, която ги свързва с вала.

• Насел, който съдържа генератора, скоростната кутия, спирачката, системата за завъртане, както и други механични и електрически компоненти.

• Тоуърът поддържа насел и ротора и ги издига над земята, за да уловят повече вятър.

• Фундаментът закрепва тоуъра към земята и прехвърля товара от вятърната турбина.

Принципът на работа на HAWT е основан на лифта, който е силата, която бута обект нагоре, когато въздухът протича над неговата повърхност. Лопатките на HAWT са формирани като аерофолии, които създават разлика в налягането между горната и долната им повърхност, когато вятърът духа. Тази разлика в налягането кара лопатките да се въртят около хоризонталната ос, което по свой ред задвижва вала и генератора, за да произведе електроенергия.

Плоскостта на ротора на HAWT трябва да е изправена в посоката на вятъра, за да се максимизира ефективността му. Ето защо HAWT има датчик за вятър и система за завъртане, които коригират ориентацията на насел според посоката на вятъра. HAWT също има система за ъгъл на нападение, която изменя ъгъла на нападение на лопатките, за да контролира техната скорост на въртене и мощността на изхода.

Преимуществата на HAWTs са:

• Те имат по-висока ефективност от вертикалните вятърни турбини (VAWTs), тъй като могат да уловят повече вятърна енергия с по-малко съпротивление.

• Те имат по-ниско колебание на момента и механично напрежение от VAWTs, тъй като имат по-малко промени в аеродинамичните сили през всяко въртене.

• Могат да бъдат инсталирани офшор на плаващи платформи или фиксирани основи, където скоростта на вятъра е по-висока и по-константна.

Недостатъците на HAWTs са:

• Изискват висок тоуър и голяма площ, за да се избегне турбулентността и въздействието от близки структури или терен.

• Са по-скъпи и сложни за инсталация и поддръжка от VAWTs, тъй като имат повече движещи се части и електрически компоненти.

• Са по-уязвими за умора и повреди от силни ветрове, бури, мълнии, птици или лед.

Какво е вертикална вятърна турбина?

Вертикална вятърна турбина (VAWT) е дефинирана като вятърна турбина, която има вертикална или перпендикулярна ос на въртене спрямо земята. VAWTs са по-рядко срещани от HAWTs, но те имат някои предимства за малки мащаби и градски приложения. Обикновено имат две или три лопатки, които са прави или извити.

Основните компоненти на VAWT са:

• Ротор, който включва лопатките и вертикалния вал, който ги свързва с генератора.

• Генератор, който преобразува механичната енергия на ротора в електрическа енергия.

• Основа, която поддържа ротора и генератора и ги свързва с земята.

Принципът на работа на VAWT е основан на съпротивлението, което е силата, която противодейства на движението на обект, когато въздухът протича над неговата повърхност. Лопатките на VAWT са симетрични или асиметрични, които създават различни количества съпротивление, когато се изправят или противодействат на посоката на вятъра. Тази разлика в съпротивлението кара лопатките да се въртят около вертикалната ос, което по свой ред задвижва генератора, за да произведе електроенергия.

Плоскостта на ротора на VAWT не трябва да е изправена в посоката на вятъра, тъй като може да улови вятър от всяка посока. Ето защо VAWT няма система за завъртане или датчик за вятър. Но VAWT може да има система за ъгъл на нападение, която изменя ъгъла на нападение на лопатките, за да контролира техната скорост на въртене и мощността на изхода.

Преимуществата на VAWTs са:

• Имат по-ниски разходи за инсталация и поддръжка от HAWTs, тъй като имат по-малко движещи се части и електрически компоненти.

• Имат по-ниски ниво на шум от HAWTs, тъй като се въртят на по-бавни скорости.

• Могат да бъдат инсталирани на покриви или близо до сгради, тъй като имат по-ниски височини и по-малки следи от HAWTs.

Недостатъците на VAWTs са:

• Имат по-ниска ефективност от HAWTs, тъй като имат повече съпротивление и по-малко лифт.

• Имат по-високо колебание на момента и механично напрежение от HAWTs, тъй като имат повече промени в аеродинамичните сили през всяко въртене.

• Не могат да бъдат инсталирани офшор, тъй като са по-малко стабилни и издръжливи от HAWTs.

Типове вертикални вятърни турбини

Има два основни типа VAWTs според дизайна на лопатките: Darrieus и Savonius.

Tурбини Darrieus

Турбините Darrieus са VAWTs, които имат извити лопатки, които приличат на миксер или трохоид. Те бяха изобретени от френския инженер Georges Darrieus през 1931 г. Турбините Darrieus използват както лифт, така и съпротивление, за да въртят лопатките си. Могат да достигнат високи скорости на въртене, но изискват външен механизъм за стартиране, като електродвигател или друга турбина, тъй като не могат да се само-стартират.

Преимуществата на турбините Darrieus са: