Siłownie wiatrowe typu VAWT (Vertical Axis Wind Turbine) czyli o wirniku o osi pionowej były najwcześniejszymi typami wiatraków, znanymi już w starożytności. Współcześnie tego typu turbiny nie mają przemysłowego zastosowania. Istnieje wiele ich odmian o obiecujących osiągach, są to jednak urządzenia małej mocy mające zastosowanie na okrętach, jachtach, w domkach jednorodzinnych, czy wręcz jako instalacje prototypowe wykonane w celach badawczych. Poniżej kilka rozwiązań.
Wirnik Savoniu’sa
W 1922 roku fiński inżynier Sigurd J. Savonius opracował konstrukcję silnika wiatrowego z pionową osią obrotu. Zasadę jego działania przedstawia rys. 1. Jest to urządzenie o bardzo prostej budowie. Wirnik Savonius’a jest często stosowany zarówno przez amatorów budujących siłownie wiatrowe sposobem gospodarczym, jak i przez firmy profesjonalnie zajmujące się produkcją turbin wiatrowych. Niestety silnik Savonius’a charakteryzuje się niewielką sprawnością przetwarzania energii wiatru na energię użyteczną. Mimo to, silnik Savonius’a znajduje zastosowanie ze względu na niezawodność, prostotę konstrukcji oraz niskie koszty wytworzenia.
Rys.1 Zasada działania wirnika Savoniu’sa, a) budowa, b) zasada dzialania
W trakcie wielu badań w tunelu aerodynamicznym w Sandia Laboratories ustalono, że wirnik Savoniusa, aby jego sprawność była jak najwyższa, powinien posiadać takie cechy jak:
– dwie łopaty w wirniku – zwiększenie liczby wirników przyczynia się do zmniejszenia sprawności turbiny,
– średnica szczeliny winna mieścić się w granicy 0,1 – 0,15 średnicy jednego płata,
– osłony ograniczające łopaty od góry i od dołu winny być o 5 – 10% większej średnicy niż średnica łopat, dzięki czemu wiatr „nie ucieka” poza wirnik,
– aby wyrównać moment startowy turbiny zaleca się umieszczenie dwóch takich wirników obróconych względem osi o 90 stopni.
Wirnik Darrieu’sa
W 1931 Darrieus opatentował wirnik, który jest obecnie nazywany od jego nazwiska. Wirnik tego typu ma praktycznie zerowy moment startowy, w związku z czym konieczne jest wstępne napędzenie.
Do rozpędzenia wirnika Darrieus’a powszechnie wykorzystywany jest napęd elektryczny, chociaż stosowane są rozwiązania niekonwencjonalne, np. dwa pomocnicze wirniki Savonius’a.
Fot. Wirnik Darrieu’sa
Silnik Darrieus’a jest urządzeniem wykorzystującym siłę nośną powstająca w wyniku przepływu płynu wokół profilu o odpowiednim kształcie. Zasada powstawania siły nośnej, która w efekcie generuje moment napędowy w silniku Darrieus’a jak również w rotorach typu H przedstawiona została na rys.2.
Rys.2 Zasada działania silnika Darrieu’sa
Turbiny Darrieu’sa znalazły największe zastosowanie w USA gdzie firma FloWind wykonała szereg tego turbin w Kaliforni. Były to konstrukcje o wysokości 17 i 19m, uzyskujące moce rzędu:
– 142 kW turbina 17m, przy wietrze 17m/s
– 250kW turbina 19m przy wietrze 20m/s.
Fot. turbiny Darrieu’sa na pustyni kalifornijskiej
Turbina typu H- Darrieu’sa
Są to silniki wiatrowe wytwarzające moment napędowy w wyniku siły nośnej powstającej na profilu płata lotniczego. W zasadzie rotor typu H można potraktować jako wycinek wirnika Darrieus’a. Istnieją rozwiązania z dwoma, trzema, czterema i pięcioma płatami. Wielkości turbin z rotorem typu H obejmują konstrukcje mikro (moc rzędu kilkudziesięciu watów) do konstrukcji o mocach rzędu kilkudziesięciu kilowatów.Poniżej w tabeli dane turbin Albedor.
Turbina świderkowa
To kolejna konstrukcja Savoniu’sa w której powierzchnie robocze wirnika stanowią powierzchnie walcowe ułożone wzdłuż linii śrubowej. W efekcie tej modyfikacji zapewniono zmniejszenie zmienności momentu napędowego w trakcie obrotu wirnika.
Podobnym rozwiązaniem jest turbina wiatrowa Helix Wind , w której zastosowano „kieszenie chwytające wiatr” rozmieszczone, podobnie jak powierzchnia czynna wirnika turbiny „świderkowej”, wzdłuż linii śrubowej. „Kieszenie”, wykonane z tworzywa sztucznego, są pojedynczymi elementami, które łączone są ze sobą tworząc powierzchnię czynną wirnika. Turbina ta charakteryzuje się małą zmiennością momentu napędowego, dużą, jak na modyfikację silnika Savonius’a sprawnością wykorzystania energii wiatru, modułową budową umożliwiającą dostarczenie turbiny do użytkownika końcowego w paczce do samodzielnego montażu. Inną cechą tej turbiny jest niepowtarzalny wygląd, który jest atutem zapewniającym oprócz efektu energetycznego również wrażenia estetyczne.
Fot.Turbina świderkowa Helix Wind
Pewną modyfikację wirnika typu H stanowi silnik wiatrowy Turby opracowany w Holandii. Konstrukcja tej turbiny została zoptymalizowana tak, aby możliwe było w niej wykorzystanie wiatru wiejącego z dowolnego kierunku, nie tylko prostopadle do osi obrotu, ale również strumienia powietrza wiejącego od dołu. Celem tej modyfikacji jest dostosowanie turbiny z pionową osią obrotu do pracy w gęsto zabudowanych obszarach, z budynkami o znacznej wysokości. W takich warunkach powstawać mogą prądy wznoszące o dość dużych prędkościach strugi powietrza.
Fot. turbina Savoniu’sa typu Turby
Turbiny z rotorem bębnowym
Kolejną grupę turbin wiatrowych z pionową osią obrotu stanowią turbiny z wirnikiem bębnowym. Można je potraktować jako turbiny reakcyjne. Tworzone są jako konstrukcje z kierownicami strumienia czynnika roboczego (powietrza) lub bez kierownic. Przykładem rozwiązań konstrukcyjnych turbin wiatrowych wykorzystujących wirniki bębnowe bez kierownic strumienia powietrza przedstawia fot. poniżej
Źródło:
– instsani.pl