Siłownie wiatrowe o osi pionowej

Siłownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, w skrócie VAWT (Vertical Axist Wind Turbine) stanowią grupę turbin wiatrowych, które charakteryzują się kierunkiem osi obracania wirnika wiatraka w sposób prostopadły do strumienia wiatru. Za pomocą turbin VAWT energia wiatru przetwarzana jest na energię elektryczną. Turbiny o pionowej osi obrotu stają się coraz bardziej powszechne w krajach europejskich ze względu na korzyści ekonomiczne jakie można uzyskać oraz możliwości zastosowania na obszarach silnie zurbanizowanych.

Można wyróżnić kilka rodzajów turbin o pionowej osi obrotu, które rozróżniane są ze względu na rodzaj wirnika, m.in.:

  • Karuzelowy
  • Savonius
  • H-rotor
  • Darrieus
  • Wirnik świderkowy

Obecnie, najczęściej stosowanymi są turbiny o wirniku świderkowym, oraz typu H-rotor z ulepszonymi łopatami i konstrukcją.

Siłownie z wirnikiem Darrieusa

Siłownie o pionowej osi obrotu posiadają kilka rodzajów turbin. Jedną z nich jest turbina Darrieusa. Służy ona do zamiany energii kinetycznej wiatru na energię mechaniczną ruchu obrotowego i docelowo energii elektrycznej z pomocą generatora.  Turbiny wiatrowe Darrieusa mogą wykorzystywać wiele razy prędkośc wiatru uderzającego , współczynnik TSR( tip speed ratio, stosunek prędkości obrotowej do prędkości wiatru ) jest większy niż_1. Dlatego też te turbiny wytwarzają mniejszy moment obrotowy niż Savonius ale obracają się znacznie szybciej. Oznacza to, iż turbuny Darrieusa bardziej nadają się do wytwarzania energii elektrycznej. Siły odśrodkowe generowane przez turbiny Darrieusa działające na łopatki osiągają bardzo duże wartości, dlatego łopatki są dużych rozmiarów oraz bardzo mocno zamontowane.

Rysunek 1. Rodzaje turbin Darrieusa

Zasada działania turbiny wiatrowej Darrieusa. 

Rysunek 2. Zasada działania turbiny wiatrowej Darrieusa, link: http://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine

Kiedy wirnik turbiny Darrieusa się obraca, wypadkowa prędkość opływu łopaty (na rysunku oznaczona kolorem czerwonym, wynika ze zsumowania prędkości wiatru i prędkości przesuwania się łopaty względem powietrza) napływa na łopatę pod dodatnim kątem natarcia. Łopata wyposażona jest w profil aerodynamiczny o takim kształcie, by taki kąt natarcia powodował powstanie siły „nośnej”. Siła ta porusza wirnikiem. Turbina Darrieusa zazwyczaj nie może uruchomić się sama. Gdy wirnik się nie obraca, nie ma wypadkowej prędkości zatem nie ma siły nośnej. Jedynie w szczególnych, rzadkich przypadkach, może nastąpić samoczynne rozpędzenie się turbiny.

Inną odmianą wirnika Darrieusa jest H-Darrieus o kształcie litery „H”. Konstrukcja ta odznacza się jeszcze prostszą konstrukcją, gdyż łopaty wirnika są proste i umieszczone pionowo.Wirniki tego typu osiągnęły dość pokaźne rozmiary osiągając nawet 300kW mocy.

Poniższy rysunek pokazuje wiatrak typu H-Darrieus.

Rysunek 3. Turbina typu H-Darrieus, link http://www.archiexpo.com/prod/ropatec/small-vertical-axis-wind-turbines-darrieus-rotor-62272-160029.html

Zalety i wady turbiny Darrieusa

-        Turbina wiatrowa Darrieusa jest poważnie narażona na uszkodzenia mechaniczne z powodu bardzo dużych sił odśrodkowych działających na łopaty ( wirnik wiruje z prędkością większą niż prędkość wiatru i w zasadzie od niej niezależną ).

-        Ponieważ turbiny Darrieusa wyposażone są w łożyska umieszczone na dole wieży, jest do nich znacznie łatwiejszy dostęp niż w przypadku zwykłych turbin wiatrowych.

-        Turbiny tego typu są znacznie bezpieczniejsze dla ptaków i nietoperzy, bo poruszają się z prędkością zbliżoną do prędkości wiatru.

-        Mają one prawie zerowy moment rozruchowy i potrzebują do rozruchu jakiegoś zewnętrznego napędu.

 

Przykłady siłowni wiatrowych o osi pionowej typu Darrieus.

Rysunek 4. Wiatrak Darrieus, link: http://www.symscape.com/node/406

Rysunek 5. Wiatrak Darriusa,link http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Darrieus_wind_generator_in_Gasp%C3%A9_peninsula_%28Qu%C3%A9bec%29.jpg

Rysunek 6. Wiatrak Darrius, link: http://www.argoxee.com.pl/turbiny_wiatrowe.php

Wiatrak Savoniusa o pionowej osi obrotu został skonstruowany w 1920 roku w Finlandii.

Budowa (a) i zasada działania (b):

Rysunek 7. Zasada działania wiatraków Savonius, link:http://postcarbon.pl/2009/11/male-elektrownie-wiatrowe/

Wiatrak Savoniusa cechuje prostą budowa. Zbudowany on jest z walca w środku którego znajdują się  wygięte blachy razem przypominające literę S. Wykorzystuje on głównie siłę parcia wiatru i tylko w niewielkim stopniu siłę nośną wiatru. Ze względu na posiadanie dużego momentu startowego wirnik ten jest często używany jest jako napęd w pompach wodnych.

Optymalny wiatrak Savoniusa powinien posiadać jedynie 2 łopatki gdyż więcej zmniejsza jego sprawność. Łopatki te powinny być obrócone względem siebie o 90 stopni w celu wyrównania momentu startowego, a średnica otworu między łopatkami powinna zawierać się w przedziale od 0.1 do 0.15  średnicy jednej łopatki. Stosunek wysokości do średnicy powinien być dostosowany do warunków w jakich ma pracować. Im wyższy stosunek wysokości do średnicy tym wyższa sprawność, lecz dzieje się to kosztem wytrzymałości konstrukcji. Przez co Savoniusy o wyższych sprawnościach nie nadają się do miejsc gdzie występują silne wiatry.

Wady:
-  posiada on dość niską sprawność przez co potrzebna jest konstrukcja dużych rozmiarów by wytworzyć większe ilości energii.
-  w celu podwyższenia sprawności musimy zmniejszyć wytrzymałość całej konstrukcji

Zalety:
- jego budowa jest tak prosta ze można go wykonać samodzielnie.
- duży moment startowy dzięki któremu nie potrzebuje zewnętrznego napedu
- przy odpowiednim wykonaniu może przetrwać wiatry do 60m/s

- pracuje niemal kompletnie bezgłośnie

Przykłady turbin Savoniusa.

Rysunek 8. Wiatrak Savonius, link:http://www.elektroda.pl/rtvforum/topic277125-2580.html

Rysunek 9. Wiatrak Savonius, link:http://vidrec.com/?v=HylhATL_Sek

Bibliografia:

1. „Wind turbines: fundamentals, technologies, application, economics” ErichHau,

2. „Wind energy: fundamentals, resource analysis and economics “Sathyajith Mathew

3. http://www.uwm.edu.pl/kolektory/silownie/pionowe.html

4.“Wind turbine design: with emphasis on Darrieus concept” Ion Paraschivoiu

5.http://www.symscape.com/blog/vertical_axis_wind_turbine

6.http://www.reuk.co.uk/Darrieus-Wind-Turbines.htm

7.“Darrieus wind turbine” Frederic P. Miller

8.http://www.reuk.co.uk/Savonius-Wind-Turbines.htm

9.http://www.greenenergywindturbine.com/download/windmill.pdf

 

 Maciej Więckiewicz, Karol Piwowarski                 SKNEN

Dodaj komentarz