Horizontalne i vertikalne ose vetroelektrana: Upoređivanje

Vetar energija je obnovljiv i čist izvor energije koji može smanjiti emisije stakleničkih gasova i zavisnost od fosilnih goriva. Vetarne turbine su mašine koje pretvaraju kinetičku energiju vetra u električnu energiju. Postoje dve glavne vrste vetarnih turbini u zavisnosti od orijentacije njihove ose: horizontalne i vertikalne.

Šta je horizontalna osna vetarna turbina?

Horizontalna osna vetarna turbina (HAWT) definisana je kao vetarna turbina koja ima horizontalnu ili paralelnu osu rotacije u odnosu na tlo. HAWT-i su najčešća vrsta vetarnih turbini korišćena za velikomaskinsko proizvodnju električne energije. Obično imaju tri lopatice koje liče na propeler aviona, iako neke mogu imati dvije ili jednu lopaticu.

Glavni komponenti HAWT su:

• Rotor, koji se sastoji od lopatica i huba koji ih povezuje sa vratilom.

• Naselje sadrži generator, mjenjač, fren, sistem yaw i druge mehaničke i električne komponente.

• Toranj podržava naselje i rotor i podiže ih iznad tla kako bi uhvatile više vetra.

• Temelj sidri toranj na tlu i prenosi opterećenja sa vetarne turbine.

Princip rada HAWT-a temelji se na dizanju, što je sila koja gurne objekat nagore kada vazduh teče preko njegove površine. Lopatice HAWT-a su oblikovane kao aerofoli, koji stvaraju razliku pritiska između njihove gornje i donje površine kada vetar puše. Ova razlika pritiska dovodi do toga da se lopatice vrtite oko horizontalne ose, što na svoj red pokreće vratilo i generator da proizvedu električnu energiju.

Ravnina rotora HAWT-a mora biti poravnata sa smjerom vetra kako bi se maksimizirala njegova efikasnost. Stoga HAWT ima senzor vetra i sistem yaw koji prilagođavaju orijentaciju naselja prema smjeru vetra. HAWT takođe ima sistem pitch koji menja kut napada lopatica kako bi kontrolisao njihovu rotacionu brzinu i snagu izlaza.

Prednosti HAWT su:

• Imaju veću efikasnost od vertikalnih osnih vetarnih turbin (VAWT) jer mogu uhvatiti više vetrove energije sa manjom otporom.

• Imaju manju fluktuaciju momenta i mehaničkog stresa nego VAWT jer imaju manje promene aerodinamičkih sila tokom svake rotacije.

• Mogu biti instalirani offshore na plivajućim platformama ili fiksiranim temeljima, gdje je brzina vetra veća i konstantnija.

Nedostaci HAWT su:

• Zahtevaju visok toranj i veliku površinu zemljišta kako bi se izbegla turbulencija i interferencija od bliskih struktura ili terena.

• Su skuplji i složeniji za instaliranje i održavanje nego VAWT jer imaju više pokretnih dijelova i električnih komponenata.

• Više su podložni umoru i oštećenju od jakih vetrova, oluja, munje, ptica ili leda.

Šta je vertikalna osna vetarna turbina?

Vertikalna osna vetarna turbina (VAWT) definisana je kao vetarna turbina koja ima vertikalnu ili okomitu osu rotacije u odnosu na tlo. VAWT su manje uobičajeni od HAWT, ali imaju neke prednosti za male mase i urbana primenjivanja. Obično imaju dvije ili tri lopatice koje su ravne ili zakrivljene.

Glavni komponenti VAWT su:

• Rotor, koji se sastoji od lopatica i vertikalnog vratila koje ih povezuje sa generatorom.

• Generator, koji pretvara mehaničku energiju rotora u električnu energiju.

• Baza, koja podržava rotor i generator i povezuje ih sa tloom.

Princip rada VAWT temelji se na otporu, što je sila koja se suprotstavlja kretanju objekta kada vazduh teče preko njegove površine. Lopatice VAWT su simetrične ili asimetrične, što stvara različite količine otpora kada se suočavaju sa smjerom vetra. Ova razlika otpora dovodi do toga da se lopatice vrtite oko vertikalne ose, što na svoj red pokreće generator da proizvede električnu energiju.

Ravnina rotora VAWT ne mora biti poravnata sa smjerom vetra jer može uhvatiti vetar iz bilo kog smjera. Stoga VAWT nema sistem yaw ni senzor vetra. Međutim, VAWT može imati sistem pitch koji menja kut napada lopatica kako bi kontrolisao njihovu rotacionu brzinu i snagu izlaza.

Prednosti VAWT su:

• Imaju niže troškove instalacije i održavanja nego HAWT jer imaju manje pokretnih dijelova i električnih komponenata.

• Imaju niže nivoje buke nego HAWT jer se vrtite sporije.

• Mogu biti instalirani na krovima ili uz zgrade jer imaju niže visine i manje površine nego HAWT.

Nedostaci VAWT su:

• Imaju nižu efikasnost nego HAWT jer imaju više otpora i manje dizanja.

• Imaju veću fluktuaciju momenta i mehaničkog stresa nego HAWT jer imaju više promena aerodinamičkih sila tokom svake rotacije.

• Ne mogu biti instalirani offshore jer su manje stabilni i dugotrajni nego HAWT.

Vrste vertikalnih osnih vetarnih turbin

Postoje dvije glavne vrste VAWT u zavisnosti od dizajna lopatica: Darrieus i Savonius.

Darrieus turbine

Darrieus turbine su VAWT sa zakrivljenim lopaticama koje liče na beater za jaja ili trohid. Izumio ih je francuski inženjer Georges Darrieus 1931. godine. Darrieus turbine koriste dizanje kao i otpor da obrte svoje lopatice. Mogu dostići visoku rotacionu brzinu, ali zahtevaju spoljnji mehanizam za start, kao što su električni motor ili druga turbina, jer ne mogu samostalno početi rad.

Prednosti Darrieus turbine su:

• Imaju veći koeficijent snage nego Savonius turbine jer koriste dizanje kao i otpor.

• Imaju niži odnos solidnosti nego Savonius turbine jer imaju manje lopatica sa većim razmacima između njih.

Nedostaci Darrieus turbine su:

• Zahtevaju spoljni mehanizam za start jer ne mogu samostalno početi rad.

• Podrška