niedziela, 29 marca 2020

Turbiny o poziomej osi obrotu
Elektrownia wiatrowa to nie tylko generator, to także system łopat wykorzystujących siłę wiatru do napędzania prądnicy. W zależności od rodzaju konstrukcji możemy turbiny podzielić na dwa podstawowe rodzaje:
  • turbiny o poziomej osi obrotu – HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine);
  • turbiny o pionowej osi obrotu – VAWT (Vertical Axis Wind Turbine).

Turbiny o poziomej osi obrotu:

  • Turbiny jednopłatowe – spotykane rzadko ze względu na specyficzną konstrukcję wymagającą przeciwwagi do śmigła.

 Zobacz przykład.

  • Turbiny dwupłatowe – rozwiązanie to pozwala zredukować koszty przedsięwzięcia oraz zmniejszyć masę wirnika. Do uzyskania mocy wyjściowej porównywalnej z wirnikiem trójpłatowym wymagane są jednak większe prędkości obrotowe, zdecydowało to o mniejszej popularności tego rozwiązania.

 

 Zobacz przykład.

  • Turbiny trzypłatowe  - to najbardziej rozpowszechnione konstrukcje elektrowni wiatrowych na świecie. Użycie trzech łopat, rozłożonych równomiernie co 120º, zapewnia stały moment bezwładności wirnika. Ze względu na stosunkowo niską prędkość, przy dość dobrym współczynniku wykorzystania energii wiatru, elektrownie te nie emitują zbyt dużego hałasu.

 

 Zobacz przykład.

  • Turbiny wielopłatowe – typ wiatraków, które rozpowszechniły się w USA. Jednak badania aerodynamiczne wykazały, że systemy z wieloma łopatami nie są najbardziej efektywne w elektrowniach wiatrowych.

 

Zobacz przykład1, przykład 2.

  • Turbiny wyposażone w dyfuzor - wykorzystują prawo Bernouliego i tzw. paradoks hydrodynamiczny. Jeżeli w rurze, przez którą przepływa płyn (ciecz lub gaz), występuje zwężenie, to ciśnienie statyczne w zwężeniu jest niższe niż przed i za zwężeniem. Ściśliwość płynu w wypadku małych prędkości (w stosunku do prędkości dźwięku w ośrodku) prawie nie występuje, nawet w przypadku dla gazów. Ponieważ płyn musi „poradzić sobie” ze zwężeniem, więc zwiększa prędkość przepływu.

 

Przepływ gazu w rurze, w której występują zmiany średnicy charakteryzuje się zmianą prędkości przepływu gazu. W związku z tym, jeżeli tradycyjny wirnik zabudujemy w tunelu (a dokładnie w jego przewężeniu) będzie on wirował w powietrzu przepływającym szybciej niż wiatr wiejący poza tunelem.

Zobacz przykład:
Badania nad turbinami wiatrowymi z dyfuzorem rozpoczęto już w latach 70 w zakładach Grummana. Przykładowo turbina firmy Vortec ma 54 m. średnicy i moc 3,5 MW. Porównując to do tradycyjnej turbiny wydajność jest większa o około 3 razy.

  • Turbiny wykorzystujące efekt Magnusa. Zjawisko Magnusa polega na na powstawaniu siły prostopadłej do kierunku ruchu, działającej na obracający się walec lub inną bryłę obrotową, poruszającą się względem płynu (np. cieczy lub gazu).

 

Turbina tego typu jest zbudowana z ramion, na których zamontowano obrotowe walce. Pod wpływem wiatru ramiona się obracają, jednocześnie wykorzystując zjawisko Magnusa obracają się także walce. Turbiny tego typu charakteryzują się bardzo dużą efektywnością. Wiatraki z wirnikami Magnusa pracują się niska prędkością obrotową ramion, dzięki czemu wytwarzają mało hałasu. Ważną zaletą jest duża odporność turbin na zniszczenie przez zbyt silny wiatr. Zatrzymanie walców w wyniku awarii automatycznie powoduje zaniknięcie siły ciągu i zatrzymanie wiatraka. Mogą także wykorzystywać słabsze wiatry, zaczynając pracę przy wietrze o prędkości 3 m/s.

 

Zobacz przykład i w dziennym świetle, (rozwiązanie wdrożone w Polsce - Pagórki k. Elbląga).
Film prezentujący turbiną Magnusa https://www.youtube.com/watch?v=RC8Qe--wB1c


Anton Flettner – niemiecki naukowiec zajmował się badaniami nad efektem Magnusa. W 1926 roku zbudował wiatrak, w którym wykorzystujący efekt Magnusa. Typowe skrzydła wiatraka zastąpiono ściętymi stożkami wykonanymi z blachy, zamontowanymi tak, aby mogły obracać się wokół swoich osi. Do obrotu stożków użyto silników elektrycznych. Wiatrak miał 20 metrów średnicy, a każdy ze stożków miał długość 5 metrów oraz średnicę zmieniająca się od 72 cm do 90 cm.

Na początku lat 20 XX wieku Flettner przebudował żaglowiec Buckau na rotorowiec. Statek miał dwa wielkie cylindry (16 metrów wysokości i 2,8 metra średnicy) wykorzystujące efekt Magnusa do napędu śrub.

 

Rozwiązanie takie stosowane jest także obecnie - Film z nowoczesnym rotorowcem: http://www.youtube.com/watch?v=2pQga7jxAyc

Turbiny o poziomej osi obrotu możemy jeszcze podzielić na:

  • Up-wind - nawietrzne, najczęściej spotykane rozwiązanie, wymagające sztywnych łopat, systemu nakierowywania na wiatr. Charakteryzuje się tym, że wirnik jest umieszczony przed masztem.
  • Down-wind - zawietrzne, rozwiązanie rzadziej stosowane, można tutaj stosować wirnik podatny na podmuch wiatru. Charakteryzują się tym, ze wirnik jest umieszczony za masztem. Wariant ten jest mało popularny że względu na straty spowodowane zacienianiem wirnika przez maszt.
   
 Turbina wiatrowa nawietrzna wyposażona w aktywny układ odchylania Turbina wiatrowa nawietrzna wyposażona w bierny układ odchylania  Turbina wiatrowa zawietrzna