Vízszintes és függőleges tengelyű szélturbínák: Összehasonlítás

A szélenergia egy megújuló és tiszta energiaforrás, amely csökkentheti a szén-dioxid-kibocsátást és a fosszilis üzemanyag-függőséget. A szélturbinák olyan gépek, amelyek a szél kinetikai energiáját átalakítják elektromos energiává. Két fő típusú szélturbina létezik az tengelyük tájolása alapján: vízszintes és függőleges.

Mi a vízszintes tengelyű szélturbina?

A vízszintes tengelyű szélturbina (HAWT) olyan szélturbina, amelynek a forgástengelye párhuzamos a talaj felületével. A HAWT-ek a leggyakrabban használt szélturbinák nagy léptékű villamos energia-termelésre. Általában három szárnyuk van, amelyek hasonlóak a repülőgép propellereihez, bár néha két vagy egy szárnyt is használnak.

A HAWT főbb elemei:

• A rotor, amely a szárnyakat és a hozzájuk kapcsolódó tengelyt tartalmazza.

• A nacelle, amelyben a generátor, a sebességváltó, a féke, a ráfordulási rendszer és más mechanikai és elektromos elemek találhatók.

• A torony, amely a nacelle-t és a rotort támogatja, és magasabbra emeli őket a talaj felett, hogy több szélt tudjanak elfogadni.

• Az alap, amely a tornyt a talajhoz rögzíti, és továbbítja a terheléseket a szélturbináról.

A HAWT működési elve a nyomás alapján alakul, ami a felszín feletti légfolyamat során kialakul. A HAWT szárnyaiban a szél felfelé nyomást gyakorol, amit a szárnyak alakja erősíti. Ez a nyomáskülönbség a szárnyak forgását okozza a vízszintes tengely körül, ami vezeti a tengelyt és a generátort, hogy elektromos energiát termeljenek.

A HAWT rotor-síkjának a szélirányhoz kell igazodnia, hogy maximalizálja a hatékonyságát. Emiatt a HAWT-nak van szélérzékelője és ráfordulási rendszere, amely a nacelle tájolását igazítja a szél irányához. A HAWT-nek van még egy pitch rendszere, amely a szárnyak támadási szögét változtatja, hogy ellenőrizze a forgási sebességet és a teljesítményt.

A HAWT előnyei:

• Magasabb hatékonyságuk van, mint a függőleges tengelyű szélturbináknál (VAWT), mert kevesebb ellenállással tudnak több szélenergiát elfogadni.

• Kevesebb torziós hullám és mechanikai stresszel rendelkeznek, mint a VAWT-ek, mert minden forgásuk során kevesebb aerodinamikai erő-változás történik.

• Lehetővé teszik a part menti telepítést, ahol a szélszint magasabb és konzisztensebb.

A HAWT hátrányai:

• Magas toronyt és nagy területet igényelnek, hogy elkerüljék a turbulenciát és a közeli épületek vagy tereptani akadályok befolyását.

• Drágábbak és összetettebbek a telepítés és karbantartás szempontjából, mint a VAWT-ek, mert több mozgó rész és elektromos elemmel rendelkeznek.

• Egyébként érzékenyebbek a sérülékenységre a széles szél, vihar, villám, madarak vagy jég miatt.

Mi a függőleges tengelyű szélturbina?

A függőleges tengelyű szélturbina (VAWT) olyan szélturbina, amelynek a forgástengelye merőleges a talaj felületére. A VAWT-ek kevésbé gyakoriak, mint a HAWT-ek, de néhány előnyük van a kis léptékű és városi alkalmazások számára. Általában két vagy három szárnyuk van, amelyek vagy egyenesek, vagy görbe vonalúak.

A VAWT főbb elemei:

• A rotor, amely a szárnyakat és a függőleges tengelyt tartalmazza, amely a generátort köti össze.

• A generátor, amely a rotor mechanikai energiáját elektromos energiává alakítja.

• Az alap, amely a rotort és a generátort támogatja, és őket a talajhoz köti.

A VAWT működési elve az ellenállás alapján alakul, ami a felszín feletti légfolyamat során kialakul. A VAWT szárnyaiban a szél felfelé nyomást gyakorol, amit a szárnyak alakja erősíti. Ez a nyomáskülönbség a szárnyak forgását okozza a függőleges tengely körül, ami vezeti a generátort, hogy elektromos energiát termeljenek.

A VAWT rotor-síkja nem igazodik a szélirányhoz, mert bármilyen irányból elfogadhatja a szélt. Emiatt a VAWT-nak nincs ráfordulási rendszere vagy szélérzékelője. Azonban a VAWT-nek lehet pitch rendszere, amely a szárnyak támadási szögét változtatja, hogy ellenőrizze a forgási sebességet és a teljesítményt.

A VAWT előnyei:

• Alacsonyabb telepítési és karbantartási költségek vannak, mint a HAWT-eknél, mert kevesebb mozgó rész és elektromos elemmel rendelkeznek.

• Alacsonyabb zajszintük van, mint a HAWT-eknél, mert lassabb sebességen forognak.

• Telepezhettek tetőkre vagy épületek közelére, mert alacsonyabbak és kisebb lábatnyomot hagyva állnak, mint a HAWT-ek.

A VAWT hátrányai:

• Alacsonyabb hatékonyságuk van, mint a HAWT-eknél, mert nagyobb ellenállással és kevesebb nyomással rendelkeznek.

• Nagyobb torziós hullám és mechanikai stresszel rendelkeznek, mint a HAWT-ek, mert minden forgásuk során több aerodinamikai erő-változás történik.

• Nem telepezhettek part menti területekre, mert kevésbé stabilak és tartósak, mint a HAWT-ek.

Függőleges tengelyű szélturbinák típusai

Két fő típusú VAWT létezik a szárnyak alakja alapján: Darrieus és Savonius.

Darrieus turbinák

A Darrieus turbinák olyan VAWT-ek, amelyek görbe szárnyaival emlékeznek arra, mint egy tojasverő vagy trochois. 1931-ben Georges Darrieus francia mérnök találta fel őket. A Darrieus turbinák a nyomás mellett az ellenállást is használják a szárnyaik forgásához. Magas forgási sebességet érhetnek el, de külső indítási mechanizmust igényelnek, például elektrikus motort vagy egy másik turbinát, mert nem tudnak önindulni.

A Darrieus turbinák előnyei:

• Magasabb teljesítményügyi együtthatójuk van, mint a Savonius turbináknál, mert a nyomást és az ellenállást is használják.

• Alacsonyabb szilárdítási arányuk van, mint a Savonius turbináknál, mert kevesebb szárnyuk van, és nagyobb tárulás van közöttük.