Vrteči in vertikalni vetrni turbin: primerjava

Vetrna energija je obnovljiva in čista vir energije, ki lahko zmanjša emisije toplogrednih plinov in odvisnost od fosilnih goriv. Vetrne turbine so stroji, ki pretvarjajo kinetično energijo vetra v električno energijo. Obstajata dve glavni vrsti vetrnih turbin glede na usmerjenost njihove osi: horizontalne in vertikalne.

Kaj je horizontalna vetrna turbina?

Horizontalna vetrna turbina (HAWT) se definira kot vetrna turbina, ki ima horizontalno ali vzporedno os vrtenja glede na tla. HAWTi so najpogostejša vrsta vetrnih turbin, uporabljanih za velikomaskinsko proizvodnjo elektrike. Običajno imajo tri lopate, ki spominjajo na letalske vijaki, čeprav nekateri lahko imajo dve ali eno lopato.

Glavni sestavni deli HAWTa so:

• Rotor, ki vključuje lopate in hub, ki jih povezuje s valjem.

• Nacele, ki vsebuje generator, menjalnik, brzda, sistem yaw in druge mehanske in električne komponente.

• Stolp, ki podpira nacelo in rotor ter jih dvigne nad tlo, da zajame več vetra.

• Osnova, ki stolp zaključi na tla in prenaša opterečenosti s vetrne turbine.

Delovanje HAWTa temelji na vzgonu, ki je sila, ki gospodarstvo potiska navzgor, ko zrak teče po njegovem površju. Lopate HAWTa so oblikovane kot aerofoli, ki ustvarjajo razliko tlaka med njunim zgornjim in spodnjim površjem, ko pride do vetra. Ta razlika tlaka povzroči, da se lopate vrtijo okoli horizontalne osi, kar vendar vodi do valja in generatorja, ki proizvaja elektriko.

Ravnina rotora HAWTa mora biti poravnana s smerjo vetra, da bi se maksimalizirala učinkovitost. Zato ima HAWT senzor za veter in sistem yaw, ki prilagaja usmerjenost nacele glede na smer vetra. HAWT ima tudi sistem pitch, ki spreminja kot napada lopat, da bi kontroliral njihovo hitrost vrtenja in moč izhoda.

Prednosti HAWTov so:

• Imajo višjo učinkovitost kot vertikalne vetrne turbine (VAWTi), ker lahko z manjšim uporom zajamejo več vetrne energije.

• Imajo nižjo ripple torza in mehanski stres kot VAWTi, ker imajo manj sprememb v aerodinamičnih silah med vsako vrtenje.

• Jih je mogoče namestiti v pomorskih vodah na plavajočih platformah ali fiksiranih osnovah, kjer je hitrost vetra višja in bolj konstantna.

Nedostatki HAWTov so:

• Zahtevajo visok stolp in veliko površino tla, da se izognejo turbulenci in motnji od bližnjih struktur ali krajevnosti.

• So dražji in kompleksnejši za namestitev in vzdrževanje kot VAWTi, ker imajo več gibljivih delov in električnih komponent.

• So bolj občutljivi na utrujenost in poškodbe zaradi močnih vetrov, viharjev, grelov, ptic ali ledu.

Kaj je vertikalna vetrna turbina?

Vertikalna vetrna turbina (VAWT) se definira kot vetrna turbina, ki ima vertikalno ali pravokotno os vrtenja glede na tla. VAWTi so manj pogosti kot HAWTi, vendar imajo nekatere prednosti za male skale in urbano uporabo. Običajno imajo dve ali tri lopate, ki so ravne ali ukrivljene.

Glavni sestavni deli VAWTa so:

• Rotor, ki vključuje lopate in vertikalni valj, ki jih povezuje s generatorjem.

• Generator, ki pretvarja mehansko energijo rotora v električno energijo.

• Osnova, ki podpira rotor in generator ter jih povezuje z tlem.

Delovanje VAWTa temelji na uporu, ki je sila, ki nasprotuje gibanju objekta, ko zrak teče po njegovem površju. Lopate VAWTa so simetrične ali asimetrične, ki ustvarjajo različne količine upora, ko so obrnjene proti smeri vetra. Ta razlika upora povzroči, da se lopate vrtijo okoli vertikalne osi, kar vendar vodi do generatorja, ki proizvaja elektriko.

Ravnina rotora VAWTa ne potrebuje poravnave s smerjo vetra, ker lahko zajame veter iz katere koli smeri. Zato VAWT ne potrebuje sistema yaw ali senzorja za veter. Vendar VAWT lahko ima sistem pitch, ki spreminja kot napada lopat, da bi kontroliral njihovo hitrost vrtenja in moč izhoda.

Prednosti VAWTov so:

• Imajo nižje stroške namestitve in vzdrževanja kot HAWTi, ker imajo manj gibljivih delov in električnih komponent.

• Imajo nižje raven hrupa kot HAWTi, ker se vrtijo z manjšo hitrostjo.

• Jih je mogoče namestiti na strehe ali blizu zgradb, ker imajo nižje višine in manjše površine kakor HAWTi.

Nedostatki VAWTov so:

• Imajo nižjo učinkovitost kot HAWTi, ker imajo več upora in manj vzgona.

• Imajo višjo ripple torza in mehanski stres kot HAWTi, ker imajo več sprememb v aerodinamičnih silah med vsako vrtenje.

• Jih ni mogoče namestiti v pomorskih vodah, ker so manj stabilni in trdni kot HAWTi.

Vrste vertikalnih vetrnih turbin

Obstajata dve glavni vrsti VAWTov glede na dizajn lopat: Darrieus in Savonius.

Darrieus turbine

Darrieus turbine so VAWTi, ki imajo ukrivljene lopate, ki spominjajo na mesojedelec ali trohoide. Izumile jih je francoski inženir Georges Darrieus leta 1931. Darrieus turbine uporabljajo vzgon in upor, da vrtijo svoje lopate. Lahko dosežejo visoke hitrosti vrtenja, vendar zahtevajo zunanji mehanizem za začetek, kot je električni motor ali druga turbina, ker ne morejo samodejno začeti vrtenja.

Prednosti Darrieus turbine so:

• Imajo višji koeficient moči kot Savonius turbine, ker uporabljajo vzgon in upor.

• Imajo nižji koeficient notranjosti kot Savonius turbine, ker imajo manj lopat z večjimi razmiki med njimi.

Nedostatki Darrieus turbine so:

• Zahtevajo zunanji mehanizem za začetek