Turbina wiatrowa jaka jest, każdy widzi. Ale czy aby na pewno? Czy każda turbina wiatrowa wygląda tak samo? No bo przecież konstruktorzy z pewnością wymyślili wiele różnych rodzajów turbin. Czy one istnieją? Czy kiedykolwiek zastanawiałeś się dlaczego przeważająca większość turbin ma trzy łopaty? I co stoi za tymi dziwnymi skrótami HAWT i VAHT? Jeśli nie znasz odpowiedzi na powyższe pytania, ale chciałbyś poznać, to nic straconego. Miłej lektury..
W dzisiejszym wpisie będę kontynuowała temat energii wiatrowej rozpoczęty jakiś czas temu. Jeśli nie czytałeś poprzedniego wpisu lub jeśli go nie pamiętasz, to gorąco zachęcam do nadrobienia tego w tym wpisie: Jak dział turbina wiatrowa. Znajdziesz w nim kluczowe aspekty pomocne w zrozumieniu poniższego artykułu.
Różne rodzaje turbin wiatrowych
Wbrew temu, co można by sądzić na pierwszy rzut oka, istnieje kilka różnych rodzajów turbin. I wcale nie mam tu na myśli tylko rozróżnienia ze względu na wielkość czy moc. Poza tym nie istnieje również jedno kryterium według którego można dokonać podziału. Kryteria które za chwilę omówię to: oś turbiny oraz typ konstrukcji. Ten drugi czynnik stanowi podkategorię dla osi turbiny.
Przy omawianiu budowy turbiny w poprzednim wpisie skupiłam się na opisie najbardziej rozpowszechnionej konstrukcji o poziomej osi obrotu. Oprócz tego wyróżniamy jeszcze siłownie o pionowej osi obrotu. Wybór rodzaju osi obrotu turbiny jest kluczowy dla dalszego etapu projektowania. To ona wpływa na docelową wielkość i moc. Decyduje również o doborze kolejnych elementów takich, jak np.: generator, montaż przekładni. Podział turbin ze względu na oś obrotu wygląda w następujący sposób:
Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (ang. HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine)
Najpopularniejsza technologia (ponad 90% w komercyjnych zastosowaniach). Nazwa pochodzi od tego, że wirnik z łopatami obraca się wokół wału biegnącego w poprzek gondoli. Oznacza to, że wał jest ułożony poziomo i wokół jego osi następuje obrót. Turbina o poziomej osi obrotu byłaby znacznie mniejsza niż ta o osi pionowej. Za pomocą komputera zintegrowanego z czujnikiem wiatru następuje obrót gondoli w kierunku wiatru (a dokładniej pod wiatr) tak, aby możliwie efektywnie wykorzystać jego siłę. Urządzenia te mają wyższą sprawność niż turbiny o osi pionowej – przy założeniu jednakowych mocy obu urządzeń. Wymagają jednak elementu sterującego, który ustawi wirnik pod odpowiednim kątem do wiatru. Są również wrażliwe na zbyt szybko wiejący wiatr, przez co – ze względów bezpieczeństwa – konieczne jest zastosowanie hamulca.
Turbiny o osi poziomej charakteryzuje wirnik z łopatami. Jednak nie zawsze są to 3 łopaty, do widoku których jesteśmy tak przyzwyczajeni. Dlatego też dla turbin typu HAWT dokonano podziału na następujące konstrukcje:
Turbina jednopłatowa
Wirnik posiada jedną łopatę. W rzeczywistości bardzo rzadko spotykana. Na jej korzyść działają z pewnością niższe koszty (ze względu na ilość materiału) oraz mniejsza waga. Wady jednak przeważają. Turbiny te potrzebują znacznie większej prędkości wiatru do rozruchu. Charakteryzują się również zdecydowani wyższym poziomem hałasu. No i raczej nie wyglądają zbyt harmonijnie. Na poniższym rysunku możesz zobaczyć widok od przodu na tego typu turbinę,
Turbina dwupłatowa
Rozwiązanie o dwóch łopatach położonych na jednej osi. Tak jak konstrukcja jednopłatowa – jest tańsza i lżejsza niż trójpłatowa. Z drugiej jednak strony jest również głośniejsza (choć mniej niż jednopłatowa), potrzebuje większej prędkości wiatru do rozruchu i jest podatna na chybotanie,
Turbina trójpłatowa
Klasyczna, najczęściej spotykana turbina wiatrowa. Posiada trzy łopaty rozmieszczone symetrycznie (kąt między łopatami wynosi 120°). Do rozruchu potrzebuje wiatru wiejącego z prędkością ok. 4 m/s,
Turbina wielopłatowa
Raczej niespotykane w energetyce zawodowej. Ale możesz je kojarzyć, jeśli lubisz oglądać westerny i stare filmy ukazujące życie na amerykańskiej prowincji. Pamiętasz te kilkumetrowe kratownicowe wieże ze śmigłami na szczycie? Służyły one do pompowania wody. To właśnie takich konstrukcji dotyczy ten akapit 😉 Ich niezaprzeczalną zaletą jest rozruch przy małej prędkości wiatru – już na poziomie 2 m/s, a także prosta budowa – łopaty nie mają zaawansowanych aerodynamicznych profili oraz niskie koszty w porównaniu z rozwiązaniem trójpłatowym. Również sterowanie tej turbiny nie jest aż tak zaawansowane. Zwykle prostopadle do łopat zamontowany jest ster tylny w postaci zwykłego płata blachy,
Turbina wykorzystująca efekt Magnusa
Turbina zaczyna się obracać już przy prędkości wiatru rzędu 3 m/s. Jednak docelowo obraca się ona zdecydowanie wolniej niż konwencjonalna turbina. Powoduje to, że jest bezpieczniejsza dla przelatujących ptaków i nietoperzy, a także cichsza. Efektem Magnusa nazywamy zjawisko powstawania siły o zwrocie prostopadłym do kierunku ruchu, która oddziałuje na poruszające i obracające się (w środowisku gazowym lub cieczy) bryły obrotowe (np. walec, kula). Zjawisko to można zaobserwować np. w trakcie meczu tenisa czy baseballu, gdzie mówimy o tzw. podkręconej piłce. Turbina ta zamiast łopat o kształcie podobnym do skrzydeł samolotu, ma takie o kształcie walca (tuby). Możemy wyróżnić siłownie o różnej liczbie ramion. Polska może się poszczycić posiadaniem tej technologii. Konkretnie w okolicy Elbląga stoi konstrukcja o nazwie Acowind A-63 posiadająca 3 ramiona,
Turbina wyposażona w dyfuzor
Dyfuzor ma kształt zwężającej się w jednym kierunku tuby. Czemu on tak naprawdę służy? Cofnijmy się w czasie o prawie 300 lat. Otóż w 1738 roku szwajcarski matematyk i fizyk Daniel Bernoulli sformułował jedno z kluczowych równań hydrodynamiki. Niech Cię nie zmyli przedrostek „hydro”, bo równanie to odnosi się również do gazów. Wiąże się ono z zasadą ciągłości przepływu. Mówiona o tym, że prędkość przepływu nośnika (cieczy, gazu) w rurze o mniejszej średnicy, jest większa niż w rurze o większej średnicy – oczywiście zakładając, że obie rury są ze sobą połączone.
I teraz jak ta zasada ma się do turbiny wiatrowej? Powietrze, które wpływa do wnętrza dyfuzora (od szerszej strony), zostaje przyspieszone przez jego kształt, co oznacza, że do turbiny dociera wiatr o większej prędkości niż prędkość wiatru w otoczeniu. Umożliwia to turbinie pracę przy znacznie niższych prędkościach wiatru. Przekłada się to więc na czas pracy takiej turbiny, który jest dłuższy niż w działaniu konstrukcji trójpłatowych. Rozwiązanie to jednak nie jest pozbawione wad. Największą jest cena, na którą wpływa budowa dyfuzora. Kolejna to rozmiar. Dlatego też ten typ turbiny nie nadaje się do zastosowań dużej mocy o dużych gabarytach. Jednak z powodzeniem może służyć jako konstrukcja małej mocy. Przykładowo „przydomowa” turbina o mocy 3 kW, dla wiatru o prędkości 12 m/s, ma średnicę wirnika trochę ponad 2 m.
Dlaczego turbina wiatrowa ma trzy łopaty?
W tym momencie możesz zapytać: Czemu turbina wiatrowa ma przeważnie trzy łopaty? Jest to kompromis. Konstrukcje jedno- i dwupłatowe są może tańsze i stawiają mniejszy opór, są jednak niestabilne (nierównoważone i wykazujące precesję żyroskopową czyli tendencję obracającego się obiektu do utrzymywania orientacji jego obrotu) oraz podatne na większe naprężenia, przez co ich elementy się szybciej niszczą. Z kolei rozwiązania o większej liczbie łopat stawiają większy opór, powodując mniejszą produkcję energii elektrycznej, tym samym będąc mniej wydajnymi niż turbiny o trzech łopatach.
I w ten oto sposób udało nam się przejść do drugiego punktu podziału turbin ze względu na oś obrotu, czyli:
Turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu (ang. VAHT –Vertical Axis Vind Turbine)
Wirnik obraca się na pionowym wale – stąd nazwa. Ma swoje zalety i wady. Do tych pierwszych można z pewnością zaliczyć niezależność od kierunku wiatru. Bez znaczenia dla tej turbiny jest kierunek, z którego wieje wiatr. Ma to szczególne znaczenie tam, gdzie kierunek wiatru często się zmienia. W budowie tej siłowni nie wyróżnimy elementu takiego, jak gondola. Powoduje to, że cały osprzęt który, znajdowałby się w gondoli, zostaje przeniesiony na poziom gruntu. Dzięki temu konserwacja podzespołów jest łatwiejsza i bezpieczniejsza.
Z kolei wadą – i to dość sporą – jest wytwarzanie mniejszej ilości energii elektrycznej. Jest to spowodowane niższą sprawnością VAHT. Ponadto mamy do czynienia w tych turbinach z dość niską prędkością obrotową (z uwagi na budowę wirnika), prowadzącą z kolei do wyższego momentu obrotowego. Implikuje to konieczność stosowania droższych układów napędowych. Pamiętasz, jak w poprzednim artykule pisałam o obciążeniu łopat? Tutaj obciążenie działa głównie prostopadle do powierzchni wirnika. Biorąc pod uwagę okresowość jego obrotu, otrzymamy bardzo wymagające obciążenie tego elementu konstrukcyjnego.
Projektanci też nie mają łatwo, ponieważ dość trudno jest modelować przepływ wiatru przez turbiny o pionowej osi obrotu.
Tak samo jak przy siłowniach o poziomej osi obrotu, także tu możemy wyróżnić kilka konstrukcji różniących się wyglądem wirnika. Są wśród nich:
Turbina Savonius’a
Nazwa pochodzi od nazwiska jej konstruktora, fińskiego inżyniera. Jeśli spojrzałbyś na wirnik od góry, to ujrzałbyś kształt, który przypomina literę S (dla dwóch ramion). Obrót turbiny powodowany jest przez różnicę, z jaką wiatr oddziałuje na część wklęsłą i wypukłą wirnika. Zalety: niskie koszty i niezawodność. Wady: niska wydajność, nie nadaje się do produkcji dużej ilości energii. Zastosowanie: anemometry (czujniki wiatru), otwory wentylacyjne Flettnera (zamontowane na dachach samochodów dostawczych i służące do chłodzenia), zasilanie boi głębinowych,
Turbina Darrieus’a
Stworzona w 1931 r. przez Francuza Darrieus’a, któremu zawdzięcza swoją nazwę. Składa się z dwóch, rzadziej trzech łopat wygiętych w łuk oparty na jej szczycie i przy dole osi obrotu. Łopaty w przekroju bocznym mają kształt aerodynamiczny, jak skrzydła samolotu. Wiejący wiatr porusza łopatami tak, że przemieszczają się one po drodze w kształcie okręgu. Zalety: wysoka wydajność. Wady: z uwag na mały początkowy moment obrotowy niezbędne jest zewnętrzne źródło zasilania; tryb rezonansowy – przy odpowiedniej prędkości obrotowej konstrukcja wpada w częstotliwość równą naturalnej częstotliwości łopatek, co może powodować ich zniszczenie (pęknięcie – tak jak szkło przy odpowiedniej częstotliwości dźwięku), a można temu przeciwdziałać, montując mechanizm hamujący i wreszcie duże naprężenia w skrajnie oddalonych od osi punktach łopat,
Wirnik H (in. Giromills)
Ppodtyp turbiny Darrious’a. Łopaty mają nie kształt łuków, a pionowych odcinków przymocowanych do osi za pomocą poziomych ramion,
Turbina świderkowa
Podtyp turbiny Savonius’a. Ma dwie łopaty, jednak oprócz tego, że wygięte są one w łuk, to ich górna krawędź nie znajduje się w osi z dolną krawędzią. Możemy to porównać do zegara leżącego na płask. Jeśli spojrzysz na ów zegar – turbinę z góry, to górna krawędź jednej z łopat tej turbiny będzie rozpięta między środkiem a godziną 12, natomiast jej dolna krawędź – między środkiem a godziną 3, jak na poniższym rysunku
Podsumowanie
Jak widzisz, zagadnienie turbin wiatrowych nie jest wcale takie proste. Już sama liczba konstrukcji może doprowadzić do zawrotu głowy. Jednak, jak wspomniałam wcześniej, najwięcej stawianych siłowni to te o poziomej osi obrotu i trzech łopatach. Reszta stanowi raczej obiekty eksperymentalne, testowe lub zasila niewielkie albo położone w niedostępnych miejscach obiekty.
Dzisiejszy artykuł nie wyczerpuje całkowicie tematu ujarzmiania wiatru. W kolejnym wpisie z tej kategorii podzielę się z tobą aspektem farm wiatrowych i ich rodzajów.
Wiedziałeś, że na świecie tyle jest różnych rodzajów turbin wiatrowych? Co o nich sądzisz? Daj znać w komentarzu.