Rozwój odnawialnych źródeł energii jest kluczowy w walce z globalnym ociepleniem i dla zachowania zasobów naturalnych naszej planety. Technologie pozyskiwania energii wiatrowej i słonecznej są w fazie wzrostu. Prowadzi to do rosnącego popytu na typy turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu. Dowiedzmy się o nich więcej.
Rodzaje turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
Na rynku dostępne są dwa typy turbin wiatrowych VAWT: turbina wiatrowa Darrieusa i turbina wiatrowa Savoniusa.
Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu to rodzaj turbiny wiatrowej, który jest najczęściej wykorzystywany w budynkach mieszkalnych . Ma ona 2 lub 3 łopaty i pionowo poruszający się wał wirnika. W turbinie VAWT generator jest umieszczony u dołu, a łopaty są osłonięte wokół wału wieży.
Turbiny te są często instalowane na pasach rozdzielających drogi , a poruszające się pojazdy wprawiają zakrzywione łopatki turbiny w ruch obrotowy i generują energię. Turbina wykorzystuje różne prędkości wiatru w różny sposób, w zależności od potrzeb.
1. Turbina wiatrowa Darrieusa (Rodzaj windy)
Ta turbina wiatrowa wzięła swoją nazwę od Georges'a Darrieusa , osoby, która ją wynalazła. Turbiny wiatrowe Darrieusa mają długie i zakrzywione łopatki połączone z górną i dolną częścią wału wirnika . Znana również pod nazwą trzepaczki do jajek, turbina ta ma oba końce połączone z wałem wirnika.
Turbiny Darrieusa obracają się dzięki sile nośnej zapewnianej przez siłę aerodynamiczną. Na przedniej stronie turbiny powstaje ssanie spowodowane przepływem wiatru, powodujące obrót łopatek w przeciwnym kierunku.
2. Turbina wiatrowa Savonius (Typ przeciągania)
Turbina ta ma solidną powierzchnię odbioru wiatru, a łopaty są owinięte wokół pionowego wału dzięki ich helisowemu układowi . Turbiny Savoniusa wykorzystują przede wszystkim opór przepływu do aktywacji silników.
Jest to konieczne oprócz dynamicznej siły wiatru działającej jako siła aktywna, aby obracać wirniki. Jednocześnie odwrotna strona łopatek napotyka siłę oporu aerodynamicznego. Z tego powodu turbiny te obracają się proporcjonalnie do prędkości wiatru.
Obie turbiny wiatrowe mają specjalne kształty skrzydeł , które zmniejszają opór powietrza. Po rozpoczęciu obrotu, prędkość turbiny również wzrasta, przekraczając prędkość wiatru, co zapewnia lepszą wydajność.
Zasada działania turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu
Przyjrzyjmy się bliżej elementom turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu.
- Skrzynia biegów – Zwiększa prędkość obrotową wału wolnoobrotowego, aby umożliwić jego połączenie z wałem szybkoobrotowym, który jest połączony z generatorem.
- generator – Zamienia energię mechaniczną na energię elektryczną w turbinie wiatrowej.
- Akumulator – Gromadzi energię elektryczną wytworzoną przez generator.
- Obwód LDR – Działa w celu włączania/wyłączania światła w systemie. Składa się z rezystora zależnego od światła (LDR), baterii, diody LED, tranzystora i rezystora.
Przeczytaj więcej o podstawowych zasadach przetwarzania energii wiatrowej.
Pracujący
VAWT jest podłączony do skrzyni biegów, która zawiera koła zębate, a ta skrzynia biegów jest bezpośrednio podłączona do wału generatora elektrycznego. Wiatr zaczyna obracać turbinę generującą energię mechaniczną.
Przekładnia poprawia obroty turbiny wewnętrznie i przekazuje te obroty do generatora jako wejście mechaniczne. Generator wykorzystuje tę energię i przekształca ją w energię elektryczną, która jest następnie magazynowana w akumulatorach. Ta zmagazynowana energia jest wykorzystywana za pośrednictwem zautomatyzowanego systemu oświetlenia.
Działanie obwodu
Emiter tranzystora jest podłączony do GND, a kolektor jest podłączony do ujemnego zacisku diody LED. Zaciski rezystora są bezpośrednio podłączone do źródła napięcia, a LDR jest podłączony do ujemnego zacisku. Gdy obwód LDR jest podłączony bezpośrednio do akumulatora, może on wykrywać obecność światła. Następnie dioda LED włącza się automatycznie, gdy ilość otrzymanego światła (światła słonecznego) jest mniej intensywna.
Zastosowania turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
Poniżej przedstawiono listę idealnych zastosowań turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu.
- W małych projektach wiatrowych i mniej rozległych instalacjach wiatrowych
- W budownictwie lub użytkowaniu w budynkach mieszkalnych.
- Na obszarach o niestabilnych warunkach pogodowych lub wietrznych w celu wytwarzania energii.
Zalety turbiny wiatrowej o pionowej osi obrotu
Zalety turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu są następujące:
1. Wirnik wielokierunkowy
Łopaty wirnika turbiny VAWT są w stanie przechwytywać wiatr wiejący z dowolnego kierunku . Dzięki temu turbiny te mogą wytwarzać energię w niestabilnych warunkach pogodowych, takich jak porywisty i turbulentny wiatr. Co więcej, idealnie sprawdzają się również w obszarach nadmorskich i górskich.
2. Bliższe odstępy
Każda turbina jest rozmieszczona w odległości 5 średnic w poprzek kierunku wiatru i około 10 średnic w kierunku dolnym. Taki układ odległości pomaga uniknąć zakłóceń w przepływie powietrza. Zmniejsza również ryzyko spadku prędkości wiatru spowodowanego przez turbiny znajdujące się blisko siebie. Dzięki mniejszemu rozstawowi turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu efektywnie przechwytują więcej energii z metra kwadratowego powierzchni.
Według badań przeprowadzonych w 2017 roku przez doktorantkę inżynierii mechanicznej na Uniwersytecie Stanforda, Annę Craig, turbiny wiatrowe VAWT mogą wygenerować 10 razy więcej energii na jednostkę powierzchni w porównaniu do grupy turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu (rozstawionych w dużych odstępach).
3. Niższa prędkość początkowa wiatru
Prędkość początkowa wiatru w turbinach o pionowej osi obrotu wynosi od 2 do 3 m/s, co pozwala im generować energię nawet przy słabym wietrze napływowym. Chociaż ogólna moc wyjściowa jest niższa przy niskiej prędkości wiatru, turbiny te nie są bezużyteczne w warunkach słabszego wiatru, w przeciwieństwie do swoich odpowiedników.
4. Mniejszy wpływ na środowisko
Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu są mniejsze niż turbiny tradycyjne . Ponieważ są zbudowane wokół wału, łopaty wirnika nie rzucają cienia. Ptaki mają również łatwy dostęp do łopat, co zmniejsza ryzyko ofiar . Ponadto turbiny VAWT generują najmniej hałasu, a tym samym nie powodują zanieczyszczenia hałasem.
5. Łatwy w instalacji i konserwacji
Ze względu na niewielkie rozmiary, turbiny te są łatwe w transporcie, montażu i konserwacji . Jedna duża ciężarówka może z łatwością przewieźć całą turbinę w jednym cyklu. Nie ma potrzeby wspinania się na duże wysokości, aby ją naprawić. Dzięki temu konserwacja turbin o pionowej osi obrotu jest łatwa.
6. Mniej ograniczeń instalacji
Ze względu na swój rozmiar, turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu są łatwo dopuszczalne w porównaniu z innymi turbinami . Różne regiony mają różne przepisy dotyczące maksymalnej wysokości konstrukcji. Ponieważ turbiny pionowe nie są bardzo wysokie, ich budowa jest dozwolona w większości stanów.
7. Estetyczny wygląd
Pionowe turbiny wiatrowe charakteryzują się nowoczesną geometrią, która zapewnia im lepszą wydajność i walory estetyczne. Ich wygląd dobrze komponuje się z otaczającą infrastrukturą, taką jak kampusy szkół/uczelni, parki i inne budynki.
Przeczytaj interesującą informację na temat połączenia turbiny wiatrowej i panelu słonecznego oraz efektów takiego połączenia.
Wady turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu
Pomimo tego, że są korzystne w wielu miejscach, wady turbin wiatrowych z pionową osią ograniczają ich wydajność. Przekonajmy się.
1. Mniejsza wydajność rotacji
Ze względu na konstrukcję wirnika, wszystkie łopaty nie otrzymują jednocześnie napływającego wiatru . Łopaty zwrócone w stronę wiatru będą się obracać, podczas gdy pozostałe będą podążać za nimi, co prowadzi do niższej wydajności obrotowej. Ponadto turbiny wiatrowe Savoniusa charakteryzują się większym oporem ze względu na szerokie powierzchnie łopat.
2. Dostęp do niższej prędkości wiatru
Turbiny VAWT są instalowane na poziomie gruntu, dlatego nie mogą wykorzystać wyższych prędkości wiatru na dużych wysokościach . To ogranicza pracę turbin do niższych poziomów prędkości wiatru.
3. Szybkie zużycie podzespołów
Ponieważ pionowe turbiny wiatrowe są instalowane na terenach zaludnionych, na poziomie gruntu, napotykają one na więcej problemów, takich jak wibracje i turbulencje . Łopaty muszą wytrzymywać większe siły, a łożyska między masztem a wirnikiem są poddawane wyższemu ciśnieniu. Czasami prowadzi to do pęknięć lub wygięć łopat.
4. Niższa ogólna wydajność
Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu mają niższą sprawność w porównaniu do turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu (HAWT) ze względu na ich konstrukcję i charakterystykę eksploatacyjną.
5. Mechanizm rozruchowy ręczny
Turbiny wiatrowe Darrieusa mają ręczny mechanizm rozruchowy ze względu na konstrukcję skrzydeł, która nie wytwarza wystarczającego momentu obrotowego do autorotacji. Nie uruchamiają się automatycznie jak turbiny Savoniusa i turbiny poziome.
Tak więc 2 typy turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu są zrównoważonym i łatwym rozwiązaniem do generowania energii na drogach i autostradach. Jednak ich konstrukcja i budowa działają zarówno na ich korzyść, jak i na niekorzyść. Mimo to nadal są lepszą opcją niż rozwiązania oparte na paliwach kopalnych.
Polecane : Turbiny wiatrowe lądowe i morskie: wszystko, co musisz wiedzieć
