Горизонтально- і вертикальновісьові вітрові турбіни: порівняння

Відновлювальна та чиста енергія вітру може знизити викиди парникових газів та залежність від fosilних палив. Вітрогенератори — це машини, які перетворюють кінетичну енергію вітру на електричну. Існує два основні типи вітрогенераторів, залежно від орієнтації їхньої осі: горизонтальні та вертикальні.

Що таке вітрогенератор з горизонтальною віссю?

Вітрогенератор з горизонтальною віссю (HAWT) — це вітрогенератор, який має горизонтальну або паралельну вісь обертання відносно землі. HAWT — найпоширеніший тип вітрогенераторів, використовуваний для великомасштабного виробництва електроенергії. Зазвичай вони мають три лопатки, схожі на пропелери літаків, хоча деякі можуть мати дві або одну лопатку.

Основні компоненти HAWT:

• Ротор, який складається з лопаток та ступиці, яка з'єднує їх з валом.

• Накель, який містить генератор, редуктор, гальмівну систему, систему ориентації за вітром та інші механічні та електричні компоненти.

• Стовп, який підтримує накель та ротор, піднімаючи їх над землею, щоб захопити більше вітру.

• Фундамент, який закріплює стовп до землі та передає навантаження від вітрогенератора.

Принцип роботи HAWT базується на підйомній силі, яка тисне об'єкт вгору, коли повітря протікає по його поверхні. Лопатки HAWT мають форму профілів, які створюють різницю тиску між верхньою та нижньою поверхнями, коли дме вітер. Ця різниця тиску призводить до обертання лопаток навколо горизонтальної осі, що, у свою чергу, приводить до обертання вала та генерації електроенергії.

Площина ротора HAWT повинна бути вирівняна з напрямком вітру, щоб максимально збільшити його ефективність. Тому HAWT має датчик вітру та систему ориентації, які регулюють орієнтацію накелю відповідно до напрямку вітру. HAWT також має систему нахилу, яка змінює кут атаки лопаток, щоб контролювати їхню швидкість обертання та виведення потужності.

Переваги HAWT:

• Вони мають вищу ефективність, ніж вертикальні вітрогенератори (VAWT), оскільки можуть захопити більше енергії вітру з меншим опором.

• Вони мають нижчий рівень пульсації моменту та механічного напруження, ніж VAWT, оскільки мають менше змін аеродинамічних сил під час кожного обертання.

• Вони можуть бути встановлені офшор на плавучих платформах або фіксованих фундаментах, де швидкість вітру вища та більш стабільна.

Недоліки HAWT:

• Вони потребують високого стовпа та великої площі землі, щоб уникнути турбулентності та завад від поблизу розташованих будівель або рельєфу.

• Вони дорожчі та складніші для встановлення та обслуговування, ніж VAWT, оскільки мають більше рухомих частин та електричних компонентів.

• Вони більш чутливі до втоми та пошкоджень від сильного вітру, штормів, блискавок, птахів або льоду.

Що таке вітрогенератор з вертикальною віссю?

Вітрогенератор з вертикальною віссю (VAWT) — це вітрогенератор, який має вертикальну або перпендикулярну вісь обертання відносно землі. VAWT менш поширений, ніж HAWT, але має деякі переваги для маломасштабного та міського застосування. Зазвичай вони мають дві або три лопатки, які можуть бути прямыми або закругленими.

Основні компоненти VAWT:

• Ротор, який складається з лопаток та вертикального валу, який з'єднує їх з генератором.

• Генератор, який перетворює механічну енергію ротора на електричну.

• База, яка підтримує ротор та генератор, з'єднуючи їх з землею.

Принцип роботи VAWT базується на опорі, який є силою, що протидіє руху об'єкту, коли повітря протікає по його поверхні. Лопатки VAWT симетричні або асиметричні, що створюють різні кількості опору, коли вони звернуті або проти напрямку вітру. Ця різниця опору призводить до обертання лопаток навколо вертикальної осі, що, у свою чергу, приводить до обертання генератора та виробництва електроенергії.

Площина ротора VAWT не потребує вирівнювання з напрямком вітру, оскільки він може захоплювати вітер з будь-якого напрямку. Тому VAWT не має системи ориентації або датчика вітру. Однак, VAWT може мати систему нахилу, яка змінює кут атаки лопаток, щоб контролювати їхню швидкість обертання та виведення потужності.

Переваги VAWT:

• Вони мають нижчі витрати на встановлення та обслуговування, ніж HAWT, оскільки мають менше рухомих частин та електричних компонентів.

• Вони мають нижчий рівень шуму, ніж HAWT, оскільки обертаються з нижчою швидкістю.

• Вони можуть бути встановлені на дахах або поруч з будівлями, оскільки мають нижчу висоту та меншу площу, ніж HAWT.

Недоліки VAWT:

• Вони мають нижчу ефективність, ніж HAWT, оскільки мають більший опір та менший підйом.

• Вони мають вищий рівень пульсації моменту та механічного напруження, ніж HAWT, оскільки мають більше змін аеродинамічних сил під час кожного обертання.

• Вони не можуть бути встановлені офшор, оскільки менш стабільні та довговічні, ніж HAWT.

Типи вертикальних вітрогенераторів

Існує два основні типи VAWT залежно від дизайну лопаток: Дарріуса та Савоніуса.

Турбіни Дарріуса

Турбіни Дарріуса — це VAWT, які мають закруглені лопатки, схожі на білдер або трохоїд. Вони були винайдені французьким інженером Жоржем Дарріусом у 1931 році. Турбіни Дарріуса використовують підйомну силу та опір для обертання своїх лопаток. Вони можуть досягти високої швидкості обертання, але вимагають