Horisontella och vertikalaxlad vindturbin: En jämförelse
Vindkraft är en förnybar och ren energikälla som kan minska växthusgasutsläpp och beroendet av fossila bränslen. Vindturbiner är maskiner som omvandlar vindens kinetiska energi till elektrisk energi. Det finns två huvudtyper av vindturbiner baserade på axelns orientering: horisontala och vertikala.
Vad är en horisontalaxlig vindturbin?
En horisontalaxlig vindturbin (HAWT) definieras som en vindturbin som har en horisontell eller parallell rotationsaxel i förhållande till marken. HAWTs är den vanligaste typen av vindturbiner som används för storskalig elproduktion. De har vanligtvis tre blad som liknar flygplanspropeller, även om vissa kan ha två eller ett blad.
De huvudsakliga komponenterna i en HAWT är:
Rotor, som består av bladen och hubben som ansluter dem till axeln.
Nacelle innehåller generator, växellåda, broms, yaw-system och andra mekaniska och elektriska komponenter.
Tornet stödjer nacellen och rotorn och höjer dem över marken för att fånga mer vind.
Fundamentet fäster tornet i marken och överför laster från vindturbinen.
Arbetsprincipen för en HAWT bygger på lyft, vilket är kraften som skjuter ett objekt uppåt när luften flödar över dess yta. Bladen på en HAWT är formade som flygvingar, vilket skapar ett tryckskillnad mellan deras övre och nedre ytor när vinden blåser. Denna tryckskillnad orsakar att bladen roterar runt den horisontella axeln, vilket i sin tur driver axeln och generatoren för att producera el.
Rotorns plan i en HAWT måste vara justerat med vindriktningen för att maximera effektiviteten. Därför har en HAWT en vindsensor och ett yaw-system som justerar nacellens orientering enligt vindriktningen. En HAWT har också ett pitch-system som ändrar angreppsytans vinkel för att styra rotationshastigheten och effekten.
Fördelarna med HAWTs är:
De har högre effektivitet än vertikalaxliga vindturbiner (VAWTs) eftersom de kan fånga mer vindenergi med mindre drag.
De har lägre torque ripple och mekanisk stress än VAWTs eftersom de har färre förändringar i aerodynamiska krafter under varje rotation.
De kan installeras offshore på flytande plattformar eller fasta fundament, där vindhastigheten är högre och mer konstant.
Nackdelarna med HAWTs är:
De kräver ett högt torn och ett stort arealutrymme för att undvika turbulens och störningar från närliggande strukturer eller terräng.
De är dyrare och mer komplexa att installera och underhålla än VAWTs eftersom de har fler rörliga delar och elektriska komponenter.
De är mer känsliga för trötthetsskador och skador från starka vindar, stormar, blixt, fåglar eller is.
Vad är en vertikalaxlig vindturbin?
En vertikalaxlig vindturbin (VAWT) definieras som en vindturbin som har en vertikal eller vinkelrät rotationsaxel i förhållande till marken. VAWTs är mindre vanliga än HAWTs, men de har vissa fördelar för småskalig och urbana tillämpningar. De har vanligtvis två eller tre blad som antingen är raka eller böjda.
De huvudsakliga komponenterna i en VAWT är:
Rotor, som består av bladen och den vertikala axeln som ansluter dem till generatoren.
Generator, som omvandlar rotorernas mekaniska energi till elektrisk energi.
Bas, som stöder rotor och generator och ansluter dem till marken.
Arbetsprincipen för en VAWT bygger på drag, vilket är kraften som motverkar ett objekts rörelse när luften flödar över dess yta. Bladen på en VAWT är symmetriska eller asymmetriska, vilket skapar olika mängder drag när de möter eller står emot vindriktningen. Denna skillnad i drag orsakar att bladen roterar runt den vertikala axeln, vilket i sin tur driver generatoren för att producera el.
Rotorns plan i en VAWT behöver inte vara justerat med vindriktningen eftersom den kan fånga vind från alla riktningar. Därför har en VAWT inget yaw-system eller vindsensor. Men en VAWT kan ha ett pitch-system som ändrar angreppsytans vinkel för att styra rotationshastigheten och effekten.
Fördelarna med VAWTs är:
De har lägre installations- och underhållskostnader än HAWTs eftersom de har färre rörliga delar och elektriska komponenter.
De har lägre ljudnivåer än HAWTs eftersom de roterar i långsammare hastigheter.
De kan installeras på tak eller nära byggnader eftersom de har lägre höjd och mindre fotavtryck än HAWTs.
Nackdelarna med VAWTs är:
De har lägre effektivitet än HAWTs eftersom de har mer drag och mindre lyft.
De har högre torque ripple och mekanisk stress än HAWTs eftersom de har fler förändringar i aerodynamiska krafter under varje rotation.
De kan inte installeras offshore eftersom de är mindre stabila och hållbara än HAWTs.
Typer av vertikalaxliga vindturbiner
Det finns två huvudtyper av VAWTs baserade på deras bladsdesign: Darrieus och Savonius.
Darrieus-turbiner
Darrieus-turbiner är VAWTs som har böjda blad som liknar en visp eller en trochoid. De utvecklades av den franske ingenjören Georges Darrieus 1931. Darrieus-turbiner använder både lyft och drag för att rotera sina blad. De kan uppnå höga rotationshastigheter, men de kräver en extern startmekanism, såsom en elektrisk motor eller en annan turbin, eftersom de inte kan starta sig själva.
Fördelarna med Darrieus-turbiner är:
De har en högre effektivitetsfaktor än Savonius-turbiner eftersom de använder både lyft och drag.
De har en lägre soliditetsskvot än Savonius-turbiner eftersom de har färre blad med större avstånd mellan dem.
Nackdelarna med Darrieus-turbiner är:
De kräver en extern startmekanism eftersom de inte kan starta sig själva.
De har högre centrifugalkrafter än Savonius-turbiner eftersom de roterar i snabbare hastigheter.
