Vodorovné a svislé osy větrných turbín: Srovnání

Větrná energie je obnovitelný a čistý zdroj energie, který může snížit emise skleníkových plynů a závislost na fosilních palivech. Větrné turbíny jsou stroje, které převádějí kinetickou energii větru na elektrickou energii. Existují dva hlavní typy větrných turbin podle orientace jejich osy: horizontální a vertikální.

Co je horizontální větrná turbína?

Horizontální větrná turbína (HAWT) se definuje jako větrná turbína, která má horizontální nebo rovnoběžnou osu otáčení vzhledem k zemi. HAWT jsou nejčastějším typem větrných turbin používaných pro velkéměrnou výrobu elektřiny. Typicky mají tři lopatky, které připomínají letadlové vrtule, i když některé mohou mít dvě nebo jednu lopatku.

Hlavní komponenty HAWT jsou:

• Rotor, který se skládá z lopatek a huby, která je spojuje s hřídelí.

• Nádrž obsahuje generátor, převodovku, brzdu, systém pro otočení, a další mechanické a elektrické komponenty.

• Věž podporuje nádrž a rotor a zvedá je nad zem, aby zachytily více větru.

• Základní konstrukce kotví věž do země a přenáší zatěžování z větrné turbíny.

Princip fungování HAWT je založen na vztlaku, což je síla, která tlačí objekt nahoru, když vzduch proudí přes jeho povrch. Lopatky HAWT jsou tvaru aerodynamických profilů, které vytvářejí rozdíl tlaku mezi jejich horní a spodní stranou, když fouká větr. Tento rozdíl tlaku způsobuje, že lopatky otáčejí kolem horizontální osy, což dále poháně hřídel a generátor k výrobě elektřiny.

Rovina rotoru HAWT musí být zarovnána s směrem větru, aby byla maximalizována její efektivita. Proto má HAWT senzor větru a systém pro otočení, který upravuje orientaci nádrže podle směru větru. HAWT také má systém pro nastavení úhlu útoku lopatek, který řídí jejich otáčivou rychlost a výkon.

Výhody HAWT jsou:

• Mají vyšší efektivitu než vertikální větrné turbíny (VAWT), protože dokáží zachytit více větrné energie s menšími odporovými silami.

• Mají nižší kolísání točivého momentu a mechanického namáhání než VAWT, protože mají méně změn aerodynamických sil během každé otáčky.

• Mohou být instalovány v moři na plavidlech nebo pevných základech, kde je větrná rychlost vyšší a konstantnější.

Nevýhody HAWT jsou:

• Vyžadují vysokou věž a velkou plochu pozemku, aby se vyhnuly turbulence a rušení ze strany blízkých struktur nebo terénu.

• Jsou dražší a složitější k instalaci a údržbě než VAWT, protože mají více pohyblivých částí a elektrických komponent.

• Jsou více náchylné k unavení materiálu a poškození způsobenému silnými větry, bouřemi, blesky, ptáky nebo ledu.

Co je vertikální větrná turbína?

Vertikální větrná turbína (VAWT) se definuje jako větrná turbína, která má vertikální nebo kolmou osu otáčení vzhledem k zemi. VAWT jsou méně běžné než HAWT, ale mají některé výhody pro malé a městské aplikace. Obvykle mají dvě nebo tři lopatky, které mohou být rovné nebo zakřivené.

Hlavní komponenty VAWT jsou:

• Rotor, který se skládá z lopatek a vertikální hřídele, která je spojuje s generátorem.

• Generátor, který převádí mechanickou energii rotoru na elektrickou energii.

• Základ, který podporuje rotor a generátor a spojuje je s zemí.

Princip fungování VAWT je založen na odporu, což je síla, která protiúčinkuje pohybu objektu, když vzduch proudí přes jeho povrch. Lopatky VAWT jsou symetrické nebo asymetrické, což vytváří různé množství odporu, když jsou obráceny nebo proti směru větru. Tento rozdíl v odporu způsobuje, že lopatky otáčejí kolem vertikální osy, což dále poháně generátor k výrobě elektřiny.

Rovina rotoru VAWT nemusí být zarovnána s směrem větru, protože může zachytit větr z jakéhokoli směru. Proto VAWT nemá systém pro otočení ani senzor větru. Nicméně, VAWT může mít systém pro nastavení úhlu útoku lopatek, který řídí jejich otáčivou rychlost a výkon.

Výhody VAWT jsou:

• Mají nižší náklady na instalaci a údržbu než HAWT, protože mají méně pohyblivých částí a elektrických komponent.

• Mají nižší hladinu hluku než HAWT, protože se otáčejí pomaleji.

• Mohou být instalovány na střechách nebo poblíž budov, protože mají nižší výšku a menší plochu zabranou než HAWT.

Nevýhody VAWT jsou:

• Mají nižší efektivitu než HAWT, protože mají více odporu a méně vztlaku.

• Mají vyšší kolísání točivého momentu a mechanického namáhání než HAWT, protože mají více změn aerodynamických sil během každé otáčky.

• Nemohou být instalovány v moři, protože jsou méně stabilní a trvanlivé než HAWT.

Typy vertikálních větrných turbin

Existují dva hlavní typy VAWT podle designu lopatek: Darrieus a Savonius.

Turbíny Darrieus

Turbíny Darrieus jsou VAWT, které mají zakřivené lopatky, které připomínají mláticí zařízení nebo trochoide. Byly vynalezeny francouzským inženýrem Georgesem Darrieusem v roce 1931. Turbíny Darrieus používají vztlak a odpor k otáčení svých lopatek. Mohou dosáhnout vysoké otáčivé rychlosti, ale vyžadují externí mechanismus pro start, jako je elektrický motor nebo jiná turbína, protože se nedokáží samostatně spustit.

Výhody turbín Darrieus jsou:

• Mají vyšší koeficient výkonu než turbíny Savonius, protože používají vztlak a odpor.

• Mají nižší poměr tuhosti než turbíny Savonius, protože mají méně lopatek s většími mezery mezi nimi.