Vaakasuora ja pystysuora akselin tuuliturbiinit: Vertailu

Tuulivoima on uusiutuva ja puhtaan energia, joka vähentää kasvihuonekaasupäästöjä ja fossiilisen polttoaineen riippuvuutta. Tuuliturbiinit ovat koneita, jotka muuntavat tuulen kineettisen energian sähköenergiaksi. On olemassa kaksi pääasiallista tuuliturbiinityyppiä niiden akselinsuunnan mukaan: vaakasuora ja pystysuora.

Mikä on vaakasuora-akselinen tuuliturbiini (HAWT)?

Vaakasuora-akselinen tuuliturbiini (HAWT) on määritelty tuuliturbiiniksi, jolla on vaakasuora tai rinnakkainen pyörimisakseli maan suhteen. HAWT:t ovat yleisimpiä tuuliturbiineja suurten sähköntuotantolaitosten käytössä. Ne tyypillisesti ovat kolmelevät, jotka muistuttavat lentokoneen propellereitä, vaikka joissakin tapauksissa niillä voi olla kaksi tai yksi lehti.

HAWT:n pääkomponentit ovat:

• Rotaattori, joka koostuu lehdistä ja hubista, joka yhdistää ne akseliin.

• Nacelle sisältää generaattorin, vaihteiston, jarrun, yaw-järjestelmän ja muut mekaaniset ja sähköiset komponentit.

• Torni tukee nacellen ja rotaattoria ja nostaa ne ylöspäin maan pinnasta saadakseen enemmän tuulta.

• Perustus kiinnittää tornin maahan ja siirtää kuormat tuuliturbiinilta.

HAWT:n toimintaperiaate perustuu nostuvoimaan, joka on voima, joka työntää objektin ylöspäin, kun ilma virtaa sen pinnan yli. HAWT:n lehdet ovat muotoiltuja ilmavoille, jotka luovat paineen eron niiden ylä- ja alapinnan välillä, kun tuuli puhaltaa. Tämä paineen ero aiheuttaa lehtien pyörimisen vaakasuoran akselin ympäri, mikä puolestaan kuljettaa akselia ja generaattoria sähköntuotannossa.

HAWT:n rotaattoritaso täytyy olla kohdassa tuulen suuntaa maksimoimaan sen tehokkuutta. Siksi HAWT:lla on tuulianturi ja yaw-järjestelmä, jotka säädettävät nacellen suuntaa tuulen suhteen. HAWT:lla on myös pitch-järjestelmä, joka muuttaa lehtien hyökkäyskulmaa kontrolloimaan niiden pyörimisnopeutta ja teho-ulkosuuntaa.

HAWT:n etuja ovat:

• Ne ovat tehokkaampia kuin pystysuorat-akseliset tuuliturbiinit (VAWT), koska ne voivat kaappata enemmän tuulen energiaa vähemmällä kitkalla.

• Niillä on pienempi torque ripple ja mekaaninen stressi kuin VAWT:illa, koska niissä on vähemmän aerodynamiikan voimien muutoksia jokaisella pyörimiskierroksella.

• Ne voidaan asentaa merelle liukuvilla alustoilla tai kiinteillä perustuksilla, missä tuulen nopeus on korkeampi ja tasaisempi.

HAWT:n haittoja ovat:

• Ne vaativat korkean tornin ja suuren maanalueen välttääkseen turbulenssia ja häiriöitä läheltä olevista rakennuksista tai maastosta.

• Ne ovat kalliimpia ja monimutkaisempia asentaa ja ylläpitää kuin VAWT, koska niillä on enemmän liikkuvia osia ja sähköisiä komponentteja.

• Ne ovat alttiimpia väsymiseen ja vahingoittumiseen voimakkaan tuulen, myrskyjen, salaman, lintujen tai jäätä vuoksi.

Mikä on pystysuora-akselinen tuuliturbiini (VAWT)?

Pystysuora-akselinen tuuliturbiini (VAWT) on määritelty tuuliturbiiniksi, jolla on pystysuora tai kohtisuora pyörimisakseli maan suhteen. VAWT:ia on vähemmän yleisiä kuin HAWT:ia, mutta niillä on joitakin etuja pienimuotoisessa ja kaupunkitaloudessa. Niillä on yleensä kaksi tai kolme suoraa tai kaarevaa lehteä.

VAWT:n pääkomponentit ovat:

• Rotaattori, joka koostuu lehdistä ja pystysuorasta akselistä, joka yhdistää ne generaattoriin.

• Generaattori, joka muuttaa rotaattorin mekaanisen energian sähköenergiaksi.

• Perusta, joka tukee rotaattoria ja generaattoria ja yhdistää ne maahan.

VAWT:n toimintaperiaate perustuu kitkavoimaan, joka on voima, joka vastustaa objektin liikettä, kun ilma virtaa sen pinnan yli. VAWT:n lehdet ovat symmetrisiä tai epäsymmetrisiä, jotka luovat eri määrän kitkavoimaa, kun ne kohtaavat tai vastustavat tuulen suuntaa. Tämä kitkan ero aiheuttaa lehtien pyörimisen pystysuoran akselin ympäri, mikä puolestaan kuljettaa generaattoria sähköntuotannossa.

VAWT:n rotaattoritaso ei tarvitse olla kohdassa tuulen suuntaa, koska se voi kaappata tuulta mistä tahansa suunnasta. Siksi VAWT:lla ei ole yaw-järjestelmää tai tuulianturia. Kuitenkin VAWT:lla voi olla pitch-järjestelmä, joka muuttaa lehtien hyökkäyskulmaa kontrolloimaan niiden pyörimisnopeutta ja teho-ulkosuuntaa.

VAWT:n etuja ovat:

• Ne ovat edullisempia asentaa ja ylläpitää kuin HAWT, koska niillä on vähemmän liikkuvia osia ja sähköisiä komponentteja.

• Ne ovat hiljaisempia kuin HAWT, koska ne pyörivät hitaammalla nopeudella.

• Ne voidaan asentaa katolle tai lähellä rakennuksia, koska niillä on alempi korkeus ja pienempi jalanjälki kuin HAWT:illa.

VAWT:n haittoja ovat:

• Ne ovat tehokkaammat kuin HAWT, koska niillä on enemmän kitkavoimaa ja vähemmän nostuvoimaa.

• Ne ovat alttiimpia torque ripplelle ja mekaaniselle stressille kuin HAWT, koska niissä on enemmän aerodynamiikan voimien muutoksia jokaisella pyörimiskierroksella.

• Ne eivät voi asentaa merelle, koska ne ovat vakaammat ja kestävämmät kuin HAWT.

Pystysuorien akselien tuuliturbiinien tyypit

On olemassa kaksi pääasiallista VAWT-tyyppiä niiden lehtisuunnitelman mukaan: Darrieus ja Savonius.

Darrieus-turbiinit

Darrieus-turbiinit ovat VAWT:eja, joilla on kaarevat lehdet, jotka muistuttavat munakoitsijaa tai trochoidia. Ne kehitettiin ranskalaisen insinöörin Georges Darrieusin toimesta vuonna 1931. Darrieus-turbiinit käyttävät sekä nostuvoimaa että kitkavoimaa pyörittääkseen lehteään. Ne voivat saavuttaa korkeita pyörimisnopeuksia, mutta ne vaativat ulkoisen käynnistysmekanismi, kuten sähkömoottorin tai toisen turbiinin, koska ne eivät pysty itse käynnistymään.

Darrieus-turbiinien etuja ovat:

• Ne ovat tehokkaampia kuin Savonius-turbiinit, koska ne käyttävät sekä nostuvoimaa että kitkavoimaa.

• Ne ovat tiheämpiä kuin Savonius-turbiinit, koska niillä on vähemmän lehtiä suuremmilla välein niiden välillä.