Horisontale og vertikale aksevindkraftverk: En sammenligning
Vindkraft er en fornybar og ren energikilde som kan redusere utslipp av drivhusgasser og avhengigheten av fossile brensler. Vindturbiner er maskiner som konverterer vindens kinetiske energi til elektrisk energi. Det finnes to hovedtyper vindturbiner basert på akselens orientering: horisontale og vertikale.
Hva er en horisontal akses vindturbine?
En horisontal akses vindturbine (HAWT) defineres som en vindturbine som har en horisontal eller parallel akses med hensyn til bakken. HAWTs er den mest vanlige typen vindturbiner brukt for storskala elektrisitetsproduksjon. De har typisk tre blader som likner flymotorpropeller, selv om noen kan ha to eller ett blad.
De viktigste komponentene i en HAWT er:
Rotoren, som består av bladene og hubben som kobler dem til aksen.
Nacelle inneholder generator, gearboks, bremse, yaw-system og andre mekaniske og elektriske komponenter.
Tårnet støtter nacelle og rotoren og hever dem over bakken for å fange mer vind.
Fundamentet fastsetter tårnet til bakken og overfører laster fra vindturbinen.
Arbeidsprinsippet for en HAWT baserer seg på løft, som er kraften som driver et objekt oppover når luft strømmer over dets overflate. Bladene i en HAWT er formet som flyvinger, som skaper et trykkdifferens mellom deres øvre og nedre flater når vinden blåser. Dette trykkdifferenset fører til at bladene roterer rundt den horisontale aksen, som igjen dreier aksen og generatoren for å produsere elektrisitet.
Rotorplanet til en HAWT må være justert med vindretningen for å maksimere effektiviteten. Derfor har en HAWT en vindsensor og et yaw-system som justerer nacellen etter vindretningen. En HAWT har også et pitch-system som endrer angrepet på bladene for å kontrollere rotasjonshastighet og effekttap.
Fordelene med HAWTs er:
De har høyere effektivitet enn vertikale akses vindturbiner (VAWTs) fordi de kan fange mer vindenergi med mindre motstand.
De har lavere torsjonsfluktuasjoner og mekanisk stress enn VAWTs fordi de har færre endringer i aerodynamiske krefter under hver rotasjon.
De kan installeres offshore på flytende platformer eller faste fundament, hvor vindhastigheten er høyere og mer konstant.
Ulemper med HAWTs er:
De krever et høyt tårn og stor areal for å unngå turbulens og forstyrrelser fra nærliggende strukturer eller terreng.
De er mer kostbare og komplekse å installere og vedlikeholde enn VAWTs fordi de har flere rørlige deler og elektriske komponenter.
De er mer utsatt for trøtthet og skade fra sterke vind, storm, lyn, fugler eller is.
Hva er en vertikal akses vindturbine?
En vertikal akses vindturbine (VAWT) defineres som en vindturbine som har en vertikal eller perpendikulær akses med hensyn til bakken. VAWTs er mindre vanlige enn HAWTs, men de har noen fordeler for småskala og byanvendelser. De har vanligvis to eller tre blader som enten er rette eller buede.
De viktigste komponentene i en VAWT er:
Rotoren, som består av bladene og den vertikale aksen som kobler dem til generatoren.
Generatoren, som konverterer den mekaniske energien i rotoren til elektrisk energi.
Bassen, som støtter rotoren og generatoren og kobler dem til bakken.
Arbeidsprinsippet for en VAWT baserer seg på motstand, som er kraften som motvirker bevegelsen av et objekt når luft strømmer over dets overflate. Bladene i en VAWT er symmetriske eller asymmetriske, som skaper ulike mengder motstand når de står mot eller mot vindretningen. Dette forskjell i motstand fører til at bladene roterer rundt den vertikale aksen, som igjen dreier generatoren for å produsere elektrisitet.
Rotorplanet til en VAWT trenger ikke å være justert med vindretningen fordi den kan fange vind fra enhver retning. Derfor har en VAWT ikke et yaw-system eller en vindsensor. Imidlertid kan en VAWT ha et pitch-system som endrer angrepet på bladene for å kontrollere rotasjonshastighet og effekttap.
Fordelene med VAWTs er:
De har lavere installasjons- og vedlikeholdsomkostninger enn HAWTs fordi de har færre rørlige deler og elektriske komponenter.
De har lavere støyennivåer enn HAWTs fordi de roterer i langsommere hastigheter.
De kan installeres på tak eller nær bygninger fordi de har lavere høyder og mindre fotavtrykk enn HAWTs.
Ulemper med VAWTs er:
De har lavere effektivitet enn HAWTs fordi de har mer motstand og mindre løft.
De har høyere torsjonsfluktuasjoner og mekanisk stress enn HAWTs fordi de har flere endringer i aerodynamiske krefter under hver rotasjon.
De kan ikke installeres offshore fordi de er mindre stabile og holdbare enn HAWTs.
Typer av vertikale akses vindturbiner
Det finnes to hovedtyper VAWTs basert på bladedesign: Darrieus og Savonius.
Darrieus-turbiner
Darrieus-turbiner er VAWTs som har buede blader som likner en eggkvister eller en trochoid. De ble oppfunnet av den franske ingeniøren Georges Darrieus i 1931. Darrieus-turbiner bruker både løft og motstand for å rotere bladene sine. De kan oppnå høye rotasjonshastigheter, men de trenger et eksternt startmekanisme, som en elektrisk motor eller en annen turbint, fordi de ikke kan starte seg selv.
Fordelene med Darrieus-turbiner er:
De har en høyere effektkoeffisient enn Savonius-turbiner fordi de bruker både løft og motstand.
De har en lavere soliditetforhold enn Savonius-turbiner fordi de har færre blader med større gap mellom dem.
Ulemper med Darrieus-turbiner er:
De trenger et eksternt startmekanisme fordi de ikke kan starte seg selv.
De har høyere sentrifugalkrefter enn Savonius-turbiner fordi de roterer i hurtigere hastigheter.
