Wiatraki o poziomej i pionowej osi: Porównanie

Energia wiatrowa to odnawialne i czyste źródło energii, które może zmniejszyć emisje gazów cieplarnianych i uzależnienie od paliw kopalnych. Wiatraki to maszyny, które przekształcają kinetyczną energię wiatru w energię elektryczną. Istnieją dwa główne typy wiatraków w zależności od orientacji ich osi: poziome i pionowe.

Czym jest wiatrak o poziomej osi obrotu?

Wiatrak o poziomej osi obrotu (HAWT) to wiatrak, który ma poziomą lub równoległą oś obrotu względem ziemi. HAWT są najpopularniejszym typem wiatraków używanych do dużoskalowej generacji energii elektrycznej. Zwykle mają trzy łopaty, które przypominają śmigła samolotów, choć niektóre mogą mieć dwie lub jedną łopatę.

Główne komponenty HAWT to:

• Rotor, który składa się z łopat i huby, która łączy je ze wałem napędowym.

• Nadwozie, które mieści generator, skrzynię biegów, hamulec, system yaw oraz inne mechaniczne i elektryczne komponenty.

• Wieża, która podtrzymuje nadwozie i rotor, podnosząc je ponad ziemię, aby przechwycić więcej wiatru.

• Fundament, który zakotwicza wieżę do ziemi i przekazuje obciążenia z wiatraka.

Zasada działania HAWT opiera się na podnoszeniu, co jest siłą, która popycha obiekt w górę, gdy powietrze płynie nad jego powierzchnią. Łopaty HAWT mają kształt profilów lotniczych, które tworzą różnicę ciśnień między ich górną i dolną powierzchnią, gdy wieje wiatr. Ta różnica ciśnień powoduje obrót łopat wokół poziomej osi, co z kolei napędza wał i generator, produkując energię elektryczną.

Płaszczyzna rotora HAWT musi być wyrównana z kierunkiem wiatru, aby maksymalizować jego wydajność. Dlatego HAWT ma czujnik wiatru i system yaw, który dostosowuje orientację nadwozia w zależności od kierunku wiatru. HAWT ma również system pitch, który zmienia kąt ataku łopat, kontrolując ich prędkość obrotową i moc wyjściową.

Zalety HAWT to:

• Mają wyższą wydajność niż wiatraki o pionowej osi obrotu (VAWT), ponieważ mogą przechwycić więcej energii wiatru z mniejszym oporem.

• Mają mniejsze wahania momentu obrotowego i mniejszy napięcia mechaniczne niż VAWT, ponieważ mają mniej zmian sił aerodynamicznych podczas każdego obrotu.

• Można je zainstalować w morzu na platformach pływających lub fundamentach stałych, gdzie prędkość wiatru jest wyższa i bardziej stała.

Wady HAWT to:

• Wymagają wysokiej wieży i dużej powierzchni gruntu, aby uniknąć turbulencji i zakłóceń spowodowanych przez pobliskie budynki lub teren.

• Są droższe i bardziej skomplikowane do instalacji i utrzymania niż VAWT, ponieważ mają więcej ruchomych części i komponentów elektrycznych.

• Są bardziej podatne na zmęczenie i uszkodzenia spowodowane silnymi wiatrami, burzami, piorunami, ptakami lub lodem.

Czym jest wiatrak o pionowej osi obrotu?

Wiatrak o pionowej osi obrotu (VAWT) to wiatrak, który ma pionową lub prostopadłą oś obrotu względem ziemi. VAWT są mniej popularne niż HAWT, ale mają pewne zalety dla małoskalowych i miejskich aplikacji. Zwykle mają dwie lub trzy łopaty, które są proste lub zakrzywione.

Główne komponenty VAWT to:

• Rotor, który składa się z łopat i pionowego wału, który łączy je z generatorem.

• Generator, który przekształca mechaniczną energię rotora w energię elektryczną.

• Podstawa, która podtrzymuje rotor i generator, łącząc je z ziemią.

Zasada działania VAWT opiera się na oporze, co jest siłą, która przeciwstawia się ruchowi obiektu, gdy powietrze płynie nad jego powierzchnią. Łopaty VAWT są symetryczne lub asymetryczne, co tworzy różne ilości oporu, gdy są zwrócone w kierunku lub przeciwko kierunkowi wiatru. Ta różnica oporu powoduje obrót łopat wokół pionowej osi, co z kolei napędza generator, produkując energię elektryczną.

Płaszczyzna rotora VAWT nie musi być wyrównana z kierunkiem wiatru, ponieważ może przechwycić wiatr z dowolnego kierunku. Dlatego VAWT nie ma systemu yaw ani czujnika wiatru. Jednak VAWT może mieć system pitch, który zmienia kąt ataku łopat, kontrolując ich prędkość obrotową i moc wyjściową.

Zalety VAWT to:

• Mają niższe koszty instalacji i utrzymania niż HAWT, ponieważ mają mniej ruchomych części i komponentów elektrycznych.

• Mają niższy poziom hałasu niż HAWT, ponieważ obracają się wolniej.

• Można je zainstalować na dachach lub w pobliżu budynków, ponieważ mają niższe wysokości i mniejsze wymagania pod względem powierzchni.

Wady VAWT to:

• Mają niższą wydajność niż HAWT, ponieważ mają większy opór i mniejsze podnoszenie.

• Mają większe wahania momentu obrotowego i większe napięcia mechaniczne niż HAWT, ponieważ mają więcej zmian sił aerodynamicznych podczas każdego obrotu.

• Nie można ich zainstalować w morzu, ponieważ są mniej stabilne i trwałe niż HAWT.

Typy wiatraków o pionowej osi obrotu

Istnieją dwa główne typy VAWT w zależności od projektu łopat: Darrieus i Savonius.

Turbiny Darrieusa

Turbiny Darrieusa to VAWT, które mają zakrzywione łopaty, przypominające mieszadło lub trochoide. Wynalazł je francuski inżynier Georges Darrieus w 1931 roku. Turbiny Darrieusa wykorzystują zarówno podnoszenie, jak i opór, aby obracać swoje łopaty. Mogą osiągać wysokie prędkości obrotowe, ale wymagają zewnętrznego mechanizmu startowego, takiego jak silnik elektryczny lub inny wiatrak, ponieważ nie potrafią samostartować.

Zalety turbin Darrieusa to:

• Mają wyższy współczynnik mocy niż turbiny Savoniusa, ponieważ wykorzystują zarówno podnoszenie, jak i opór.

• Mają niższy stosunek solidności niż turbiny Savoniusa, ponieważ mają mniej łopat z większymi przerwami między nimi.

Wady turbin Darrieusa to:

• Wymagają zewnętrznego mechanizmu startowego, ponieważ nie potrafią samostartować.