Rodzaje turbin wiatrowych

Rodzaje turbin wiatrowych – podział ze względu na generowaną moc

Rodzaje turbin wiatrowych zależą od przyjętego kryterium podziału. Elektrownie wiatrowe można bowiem podzielić m.in. ze względu na ich zastosowanie (turbiny wiatrowe przydomowe lub przemysłowe różniące się wymiarami i mocą), lokalizację (turbiny wiatrowe lądowe i morskie), generowaną przez nie moc czy zastosowany typ silnika. Przyjmując ostatnie wspomniane kryterium turbiny wiatrowe można podzielić następująco.

Mikroelektrownie wiatrowe

Rodzaj turbin wiatrowych o mocy niższej od 100 W. Wykorzystuje się je najczęściej do oświetlenia pojedynczych pomieszczeń oraz zasilania indywidualnych urządzeń w domach lub infrastruktury drogowej i miejskiej.

Małe elektrownie wiatrowe

Rodzaj turbin wiatrowych o mocy w zakresie od 100 W do 50 kW. Elektrownie tego typu zabezpieczają energię elektryczną dla pojedynczych gospodarstwach domowych lub małych firm.

Duże elektrownie wiatrowe

Rodzaj turbin wiatrowych o mocy w powyżej 100 kW, aż do 1 MW. Umożliwiają one zasilanie dużych domów, a w przypadku wyższych mocy również sprzedaż nadwyżek wygenerowanej energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej.

Zawodowe elektrownie wiatrowe

Rodzaj turbin wiatrowych o mocy nominalnej powyżej 1 MW. Głównym obszarem ich zastosowania jest energetyka zawodowa – jako farmy wiatrowe generują czystą energię zmniejszając ilość emitowanego do atmosfery dwutlenku węgla i innych substancji przyczyniających się do niepożądanego efektu cieplarnianego.

Rodzaje turbin wiatrowych – podział ze względu na typ silnika

Rodzaje turbin wiatrowych zależą również od zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych, pod tym względem współczesne wiatraki można podzielić na modele z silnikami o poziomej i pionowej osi obrotu. Z uwagi na zasadnicze różnice występujące w obu wariantach poniżej przedstawiono ich dokładną charakterystykę.

Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu – HAWT

Turbiny wiatrowe HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbine) wyposażone są w układ nazywany klasycznym, który składa się z wirnika o różnej liczbie łopat, osadzonego na wale głównym. Wał główny przekazuje napęd do przekładni zębatej, a ta do generatora. Cały zespół wału głównego, przekładnia oraz generator są ze sobą połączone, tworząc kompletny zespół napędowy umieszczony w gondoli na poduszkach wibroizolacyjnych. Gondola z kolei jest samonośną konstrukcją wsporczą dla zespołu napędowego i jest osadzona najczęściej na teflonowym łożysku wieńcowym umożliwiającym jej obrót wokół wieży przy pomocy elektronicznych serwomechanizmów.

Wirnik może znajdować się po stronie nawietrznej (up-wind) lub zawietrznej (down-wind). Pierwsze rozwiązanie stosuje się przy większych konstrukcjach, gdzie zastosowano układ elektronicznego naprowadzania na kierunek wiatru bądź ster aerodynamiczny – wirnik pracuje przy równomiernym obciążeniu. Drugie rozwiązanie wykorzystuje się najczęściej w małych turbinach wiatrowych, których nie wyposażono w systemu naprowadzania na kierunek wiatru. Wadą tego rozwiązania są pola silnych turbulencji tuż za wieżą, co powoduje powstawanie zjawisk wpływających niekorzystnie na żywotność łopatek wirnika.

Na rynku dostępne są różne rodzaje turbin wiatrowych HAWT, które różnią się między sobą liczbą łopat wirnika. Najczęściej występują układy trójłopatowe, choć stosuje się również wirniki dwu-, a nawet jednołopatowe. Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu mogą być także wyposażone w dyfuzor. Wirnik tego typu wykorzystuje prawo Bernouliego dotyczące zachowania się ośrodka w rurze o zmniejszającej się średnicy. Przepływające przez nią powietrze zmienia prędkość, przez co wirnik znajdujący się w przewężeniu tunelu wiruje szybciej niż wiatr poza tym tunelem, co przekłada się na wyższą efektywność tego rozwiązania.

Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu – VAWT

Turbiny wiatrowe VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbine) stanowią jedynie kilka procent wszystkich instalacji. Cechują się równą charakterystyką pracy, bez względu na zmiany kierunku wiatru, a także wyższym wskaźnikiem wykorzystania energii wiatru, w porównaniu do turbin o poziomej osi obrotu. Wyższa efektywność wynika ze skuteczniejszego wykorzystywania podmuchów wiatru z różnych (zmiennych) kierunków. Wynika to z faktu, że turbiny wiatrowe VAWT wykorzystują każdy podmuch wiatru do produkcji energii, podczas gdy modele HAWT potrzebują czasu, aby się obrócić i ustawić optymalnie do kierunku wiatru.

Na rynku dostępne są różne rodzaje turbin wiatrowych VAWT, a jednym z najpopularniejszych są turbiny Darrieus’a, w których wirnik ma praktycznie zerowy moment startowy, w związku z tym konieczne jest jego wstępne napędzanie. Stosowaną często odmianą tego rozwiązania są wirniki typu H-Darrieus w kształcie litery H, które składają się z trzech łopat prostych, równoległych do osi obrotu. Na rynku dostępne są również turbiny Savoniusa będące najprostszym technologicznie rozwiązaniem VAWT, wykorzystujące różnicę sił oddziaływania wiatru na wklęsłą i wypukłą stronę łopat, która powoduje obrót wirnika. Ich zaletą jest zdolność przetrwania nawet silnych wiatrów oraz możliwość pracy przy wietrze o prędkości 1,5 m/s. Ponadto, turbiny wiatrowe VAWT Savoniusa, w odróżnieniu od modeli tradycyjnych, nie emitują prawie żadnego hałasu.

Zalety i wady poszczególnych rodzajów turbin wiatrowych

Turbiny wiatrowe HAWT charakteryzują się wyższą sprawnością od modeli VAWT oraz mają estetyczny wygląd. Ich wadą jest konieczność stosowania mechanizmu ograniczającego obroty turbiny (ze względu na wysoką prędkość obrotową przy silnym wietrze), mechanizmu naprowadzania na wiatr oraz połączeń ślizgowych (w przypadku umieszczenia generatora w gondoli), które generują dodatkowe koszty. Jednak całościowo stosunek koszt/efekt tych rozwiązań jest najlepszy.

Zaletą turbin wiatrowych VAWT jest natomiast fakt, że poziom uzyskiwanej produkcji energii elektrycznej jest niezależny od kierunku wiatru. Nie wymagają one również skomplikowanych mechanizmów ustawiania na wiatr, dzięki czemu ich konstrukcja mechaniczna oraz sterowanie są uproszczone. Umożliwiają także łatwy montaż na obiektach, ponieważ nie wymagają budowania wysokich masztów, mogą być montowane na dachach budynków, słupach, istniejących konstrukcjach masztów itp. Do ogromnych zalet tych rozwiązań należy cicha praca, nawet przy maksymalnej prędkości obrotowej, a także odporność na silny wiatr zapewnianej przez kształt wirnika (nie wymaga zatrzymania nawet przy wietrze o prędkości 40 m/s). Ponadto, cechy konstrukcyjne zwiększają ich odporność na pokrycie szadzią, szronem czy lepkim śniegiem. W dobie rosnących kosztów osobowych należy podkreślić, że praca zespołu prądotwórczego jest bezobsługowa, dzięki eliminacji połączeń ślizgowych w konstrukcji.

Główną wadą turbin wiatrowych VAWT jest fizyczne zjawisko zmiennego w czasie zginania się konstrukcji osi pionowej występujące podczas obrotu, które tworzy konieczność budowy odpowiednio wytrzymałego i kosztownego posadowienia elektrowni. Rozwiązania tego typu są średnio o ok. 200% droższe.