Siłownie wiatrowe o osi pionowej

SIŁOWNIE WIATROWE O PIONOWEJ OSI OBROTU

Siłownie wiatrowe o pionowej osi obrotu rozwijały się znacznie wolniej w porównaniu z siłowniami o poziomej osi obrotu. Jednym z prekursorów ich rozwoju był francuz Darrieus w 1931 roku. Opatentował on wirnik, który jest obecnie nazywany od jego nazwiska. Mimo prostej budowy i braku potrzeby stosowania układu naprowadzania na kierunek wiatru wirnik tego typu nie znalazły bardzo dużego zastosowania. Jedną z przycznyn była wada siłowni polegająca na tym, że mają one prawie zerowy moment rozruchowy i potrzebują do rozruchu jakiegoś zewnętrznego napędu. Obecnie siłownie z wirnikiem Darrieusa mają w wyposażeniu silniki elektryczne, które pomagają przy rozruchu.

Przykład pierwszej konstrukcji Darrieusa z 1931 r.

Innym typem wirnika o pionowej osi obrotu jest wirnik konstruktora Darrieusa o nazwie H-Darrieus. 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 przy wymiarach (licząc powierzchnię omiataną w płaszczyźnie pionowej) zbliżonej do turbin tradycyjnych (o poziomej osi obrotu), z czego wynika stosunkowo wysoka sprawność tego typu wiatraków. Niestety trudno odnaleźć naukowe opracowania dotyczące tego typu urządzeń.
Załóżmy że wybieramy ok. 0.1 m tradycyjnego wirnika, aby przeanalizować jego wagę dla wytwarzania energii. Gdy weźmiemy ten wycinek koło osi obrotu otrzymamy:
P=II*r²= 3.14*0.1²= 0,03 m²,
lecz gdy weźmiemy wycinek odległy o 1 m od osi obrotu
deltaP=P₂-P₁=(II*1.1²)-(II*1²)=3,7994-3,14 = 0,66 m²
gdy to samo policzymy dla odległości 10 m od osi..
deltaP=P₂-P₁=(II*10.1²)-(II*10²)=320,31-314 = 6,31 m²

Widać z tego, że największy udział w produkcji energii ma zewnętrzna część wirnika - środek ma marginalne znaczenie. W przypadku H-rotora cała łopata znajduje się w maksymalnej odległości od osi obrotu. Dlaczego więc nie jest to najsprawniejszy ze znanych wiatraków ? Łopaty tego wirnika wraz z ruchem obrotowym stale zmieniają kąt natarcia względem wiejącego wiatru od kątów ujemnych poprzez optymalne (wtedy faktycznie chwilowa sprawność jest bardzo wysoka) aż do przekroczenia krytycznych kątów natarcia (przeciągnięcia). Dodatkowo gdy jedna łopata "pracuje dla nas", ta która znajduje się po przeciwnej stronie wirnika "robi krecią robotę" wytwarzając niepotrzebny lecz oczywisty opór.

Siłownia wiatrowa o pionowej
osi obrotu typu H-Darrieus

Kolejnym typem wirnika siłowni wiatrowych o pionwej osi obrotu jest wirnik Savoniusa. Wirnik tego typu został opisany przez S.J.Savoniusa ok. 1920 roku. Wirnik ten nie może konkurować jeśli chodzi o sprawność z typowymi wiatrakami o poziomej osi obrotu lub z wirnikiem Darriusa lecz przewagą jego jest prostota konstrukcji. Istotą działania jest wykorzystanie przede wszystkim siły parcia wiatru, lecz także (choć w niewielkim stopniu) siły nośnej. Ze względu na stosunkowo duży moment startowy wirniki tego typu zwykle wykorzystywane są do napędzania pomp wodnych. Istnieje wiele konstrukcji typowo amatorskich budowanych ze stalowych beczek lub blachy falistej. Działanie wirnika pokazano w przykładowej animacji obok.
W trakcie badań w tunelu aerodynamicznym w Sandia Laboratories wykonano kilkanaście testów różnych konfiguracji wirnika. W podsumowaniu stwierdzono że:
Optymalnym jest wirnik Savoniusa o:
- jedynie 2 łopatach (większa ilość łopat zmniejsza uzależnienie wielkości momentu startowego od kąta położenia łopat względem kierunku wiatru, lecz obniża sprawność tego typu wirnika).
- w celu wyrównania momentu startowego należy na osi umieścić dwa takie zestawy obrócone względem siebie o 90 stopni.
- średnica otworu (przerwy pomiędzy płatami) powinna zawierać się w granicach 0.1 - 0.15 średnicy jednego płata.
- stosunek wysokości do średnicy ma wpływ na sprawność - im wyższy stosunek wysokości do średnicy tym bardziej sprawność rośnie (lecz nie tak mocno...)
Z innych opracowań wynika, że "koła" ograniczające łopaty od góry i dołu powinny mieć ok. 5-10% większą średnicę od samych łopat - zapobiega to ucieczce wiatru bokami. Drugim sposobem zwiększenia efektywności jest brak pionowej osi w wolnej przestrzeni pomiędzy łopatami (i tu zaczyna się problem wyboru - sztywność konstukcji czy niewiele wyższa sprawność).
W podsumowaniu można zgeneralizować, że wirniki typu Savoniusa cechuje prostota konstrukcji, duży moment startowy umożliwiający pracę przy bardzo słabych wiatrach. Przy odpowiednim wykonaniu możliwość przetrwania wiatrów do ok.60 m/s, praktycznie bezgłośna praca samego wirnika. Do wad można zaliczyć niską sprawność, a co za tym idzie duże wymiary dla uzyskania określonej mocy.

Działamie wirnika typu Savoniusa

Wirnik typu Savoniusa w przekroju

Przykład konstrukcji siłowni wiatrowej o pionowej osi obrotu typu Savoniusa

Z wszelkiego rodzaju publikacji wynika, że wirnik typu Darrieusa ma praktycznie zerowy moment startowy, w związku z czym konieczne jest wstępne napędzenie. Przykładem rozwiązania tego problemu jest zdjęcie obok ukazujące wirnik Darrieus'a wyposażony w dwa pomocnicze wirniki Savoniusa. Jest to dość nietypowe rozwiązanie - zwykle do tego celu wykorzystuje się silnik elektryczny.

Przykład konstrukcji łączonej, główny wirnik typu Darrieusa, natomiast pomocniczy Savoniusa.

Na zdjęciu obok przedstawiony jest wiatrak Kirke-Lazauskas o mocy 3 kW jest on odmianą wirnika H-Darrieusa. Trudno jest znaleść komercyjne rozwiązania wiatraków tego typu. Siłownia została wyposażona w układ odśrodkowej regulacji kąta natarcia łopat. Dzięki temu można regulować pozyskiwaną moc w zależności od prędkości wiatru. Przy pomocy tego rozwiązania siłownia może pracować efektywniej i przy znacznie większych prędkościach wiatru, jak również bywa to przy siłowniach o poziomej osi obrotu można utyrzymywać stałą prędkość obrotową wirnika.
Zdjęcie poniżej przedstawia siłownie wiatrową, która została wykonana w laboratorium aerodynamicznym na Uniwersytecie w Saratowie. Siłownia tego typu ma średnicę 1,9 m długości łopat 2 m i wysokości masztu 5,5 m. Daje ona podobno 1,5 kW mocy. Według danych ze strony internetowej laboratorium istnieje silna zależność momentu startowego od stosunku cięciwy (szerokości) łopat do średnicy wirnika.

Stosowane są również odmiany z ruchomym zawieszeniem łopat, lub tak jak w wypadku siłowni wiatrowej o osi pionowej "Windstar" firmy Wind Harvest (o mocach 25 i 50 kW uzyskiwanych z powierzchni 58 i 116 m²) zespoły o większej ilości łopat.

Istnieją "wariacje" na temat tej turbiny np. "świderkowe" turbiny fińskiej firmy WINDSIDE.
Na rysunkach obok i po spodem przedstawiona jest konstrukcja małego wiatraka tej firmy. Atutem akcentowanym przez producenta jest zdolność do przetrwania silnych wiatrów, oraz wykorzystanie siły wiatru nawet od 1,5 m/s ! Dodatkowo turbiny tego typu nie generują prawie żadnych dźwięków (w odróżnieniu od np.tradycyjnych wiatraków - gdzie końcówki łopat poruszają się z szybkością 250 km/h (dane dla wirnika 22m przy 60 obr./min.). Siłownie tego typu już przy powierzchni , na którą działa wiatr 2 m² osiągają moc 50 W przy prędkości wiatru 6 m/s. Całkowita masa takiej siłowni wiatrowej wynosi 200 kg. Napęd z wirnika przenoszony jest bezpośrednio na prądnicę, nie stosuj się tutaj przekładni zębatych. Dzięki temu siłownie te są stosunkowo lekkie i niedrogie. Zaleta ta pozwala instalować je na już użytkowanych obiektach, budynkach, wieżach itp. Zainstalowanie kilku niewielkich siłowni może dać niezły rezultat przy założeniu, że siłownie będą umieszczone na wysokości o zasobach energetycznych równych 100 W/m² i prędkości średniej wiatru 5 m/s to uzyskamy 301 kWh/rok energii elektrycznej.

Przykład konstrukcji H-Darrieus.

Przykład konstrukcji siłowni wiatrowej wykonanej na Uniwersytecie w Saratowie.

Przykład siłowni wiatrowej o osi pionowej firmy Wind Harvest

Na Międzynarodowych Targach Przemysłowych - Hanower'96, niemiecka firma B. Heynck pokazał nowe rozwiązanie konstrukcyjne elektrowni wiatrowej. Charakterystyczny dla tych elektrowni jest cylindryczny wieniec łopatek wirnika z pionową osią obrotu. Profil łopatek nieco przypomina profil używany w elektrowniach wiatrowych o poziomej osi obrotu, z tą różnicą, że te łopatki nie są skręcone. W materiałach firmowych podkreślane są nastepujące zalety tego rodzaju konstrukcji:
- lekka, samonastrawna,
- cicha praca,
- działanie niezależne od kierunku wiatru,
- rozruch bez przekładni,
- brak strat przekładniowych,
- prędkość obrotowa większa niż prędkość wiatru,
- możliwość montażu bez masztu na halach i płaskich dachach.

Firma zprezentowała dwa modele elektrowni:

Moc [W]	400	12000
Wymiary [mm] D	1330	6000
H	1500	6000
h	(5000)	(5000)
Masa [kg]	48 (bez masztu)	1500 (z masztem h=5000 mm)
Prędkość wiatru [m/s]	rozruch od 2	rozruch od 2
Prędkość wiatru [m/s]	oddawanie energii od 3	oddawanie energii od 3
Prędkość wiatru [m/s]	największa moc ciągła od 9	największa moc ciągła od 14

STRONA GŁÓWNA

WIATR, ENERGIA WIATRU

SIŁOWNIE WIATROWE

ZASTOSOWANIE SIŁOWNI WIATROWEJ W GOSP. ROLNYM

JAKI WIATRAK DLA CIEBIE