Vjetroagregat s okomitom osovinom
Vjetroagregati s okomitom osovinom su vrsta vjetroagregata kojima je os turbinskoga kola postavljena poprečno u odnosu na vjetar (ali ne nužno okomito), dok se glavne komponente nalaze na temeljima vjetroturbine. Ovakav raspored omogućava smještaj generatora i prijenosnika snage blizu tla čime je olakšano održavanje. Vjetroagregati s okomitom osovinom ne trebaju biti direktno okrenuti prema vjetru[1] te zato ne postoji potreba za anemometrom i zakretnikom. Glavni nedostaci ranijih konstrukcija (Savonius, Darrieus i giromill) uključuju značajne varijacije zakretnog momenta i velike momente savijanja na lopaticama. Uvijanjem lopatica u kasnijim izvedbama riješen je problem zakretnog momenta.h
Opća aerodinamika
Rezultirajući vektor brzine, [math]\displaystyle{ \vec{W} }[/math], je zbroj vektora neporemećene struje zraka, [math]\displaystyle{ \vec{U} }[/math], i vektora brzine lopatice, [math]\displaystyle{ -\vec{\omega }\times\vec{R} }[/math].
[math]\displaystyle{ \vec{W}=\vec{U}+\left( -\vec{\omega }\times\vec{R} \right) }[/math]
Maksimalna brzina se postiže za [math]\displaystyle{ \theta =0{}^\circ }[/math], a minimalna za [math]\displaystyle{ \theta =180{}^\circ }[/math] , gdje je [math]\displaystyle{ \theta }[/math] azimutalna ili orbitalna pozicija lopatica. Napadni kut, [math]\displaystyle{ \alpha }[/math] , je kut između nadolazećih strujnica zraka, W, i tetive aeroprofila.
S geometrijskog gledišta, rezultirajuća brzina i napadni kut se računaju na sljedeći način:
[math]\displaystyle{ W=U\sqrt{1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}} }[/math]
[math]\displaystyle{ \alpha =\tan ^{-1}\left( \frac{\sin \theta }{\cos \theta +\lambda } \right) }[/math][2]
Gdje je [math]\displaystyle{ \lambda =\frac{\omega R}{U} }[/math] omjer vršnih brzina.
Komponente rezultirajuće aerodinamičke sile su uzgon (F_L) - otpor (D) ili normalna (N) - tangencijalna (T) komponenta. Aerodinamički pojmovi „uzgon“ i „otpor“ odonose se na sile duž (otpor) i okomito na (uzgon) na neporemećenu brzinu. Normalna komponenta sile djeluje radijalno, a tangencijalna u smjeru brzine lopatice, okrečući je. Uzgon i otpor su korisni kad se bavimo aerodinamičkim silama oko lopatice (npr. granični sloj), a ako se radi o npr. umoru materijala, prikladnije je raditi u okviru normalnih i tangencijalnih sila. Koeficijenti uzgona i otpora profila su normalizirani dinamičkim tlakom relativnog toka zraka, a normalni i tangencijalni koeficijenti dinamičkim tlakom neporemećenog strujanja zraka.
[math]\displaystyle{ C_{L}=\frac{F_L}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}\text{ };\text{ }C_{D}=\frac{D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}\text{ };\text{ }C_{T}=\frac{T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}\text{ };\text{ }C_{N}=\frac{N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}} }[/math]
A = Površina R = Polumjer turbine
The amount of power, P, that can be absorbed by a wind turbine:
[math]\displaystyle{ P=\frac{1}{2}C_{p}\rho A\nu^{3} }[/math]
Gdje je [math]\displaystyle{ C_{p} }[/math] koeficijent snage, [math]\displaystyle{ \rho }[/math] gustoća zraka, [math]\displaystyle{ A }[/math] površina, and [math]\displaystyle{ \nu }[/math] brzina vjetra.[3]
Prednosti vjetroagregata s okomitom osovinom
Vjetroagregati s okomitom osovinom nude mnoge prednosti u odnosu na tradicionalne vjetroagregate s horizontalnom osovinom:
- Jednako su učinkovite neovisno o smjeru puhanja vjetra i ne trebaju sustav za njegovo praćenje. To ih čini pouzdanijima zbog činjenice da ne zahtijevaju kompleksne mehanizme za okretanje vjetroturbine.
- Prijenosnik snage vjetroagregata s okomitom osovinom ima dosta manju dinamičku izdržljivost od prijenosnika snage vjetroagregata s horizontalnom osovinom. Ukoliko je potrebno, zamjena je jeftinija i jednostavnija jer je prijenosnik blizu tla što ga čini lako dostupnim. To znači da nema potrebe za dizalicom ili nekom drugom velikom opremom na samoj lokaciji, što smanjuje troškove i utjecaj na okoliš. Kvarovi motora i prijenosnika snage općenito povećavaju radne troškove i troškove održavanja vjetroagregata s horizontalnom osovinom i na kopnu i na moru.
- Tvrdnje o neučinkovitosti su opovrgnute činjenicom da su vjetroagregati s okomitom osovinom sposobni iskoristiti jak, mahovit vjetar za razliku od vjetroagregata s horizontalnom osovinom kod kojih snažan vjetar smanjuje dinamičku izdržljivost.
- Vjetroagregati s okomitom osovinom se mogu koristiti svrdlanim pilotima za duboko temeljenje, omogućujući veliko smanjenje troškova emisija ugljičnog dioksida kao i smanjenje cestovnog prijevoza betona tijekom instalacije. Na kraju svog životnog vijeka, mogu se u potpunosti reciklirati.
- Proizvodnja krila Darrieusove vjetroturbine je jednostavnija od proizvodnje lopatica vjetroagregata s horizontalnom osovinom, koji imaju puno kompleksniji oblik i strukturu.
- Vjetroagregati s okomitom osovinom se mogu gušće grupirati u vjetroparkove, povećavajući proizvedenu snagu po jedinici površine zemljišta.
- Vjetroagregati s okomitom osovinom mogu biti istalirani ispod postojećih vjetroagregata s horizontalnom osovinom, povećavajući učinkovitost (izlaznu snagu) već postojećeg vjetroparka.[4]
- Istraživanje na Caltechu je pokazalo da pažljivo osmišljen vjetropark s vjetroagregatima s okomitom osovinom može imati deset puta veću izlaznu snagu od vjetroparka iste veličine, ali s vjetroagregatima s horizontalnom osovinom.[5]
Nedostaci vjetroagregata s okomitom osovinom
Većina nedostataka vjetroagregata s okomitom osovinom prevladana je korištenjem modernih kompozitnih materijala i poboljšanjem tehnologije proizvodnje i konstrukcija.
Lopatice vjetroagregata s okomitom osovinom su bile sklone zamoru materijala zbog velikih razlika između sila koje se javljaju tijekom svake rotacije. Taj problem je riješen korištenjem modernih kompozitnih materijala, poboljšavanjem konstrukcijskih rješenja i upotrebom lopatica aerodinamičnog profila. Okomito postavljene lopatice korištene u prošlosti uvijale su se i savijale tijekom svakog okreta, što je rezultiralo lomom. S vremenom bi te lopatice pucale. Vjetroagregati s okomitom osovinom su se pokazali manje pouzdanima od vjetroagregata s horizontalnom osovinom.[6] Današnjim modelima vjetroagregata s okomitom osovinom riješeni su mnogi problemi povezani s ranijim konstrukcijama.[7] Međutim, ostalo je još posla. Jedan od glavnih izazova predstavlja dinamička izdržljivost lopatica pri brzom mijenjanju napadnoga kuta.[8][9]
Primjene
Američka tvrtka Mariah Power je početkom 2000. razvila Windspire, mali vjetroagregat s okomitom osovinom namijenjen pojedinčanoj (dom ili ured) upotrebi. Tvrtka je objavila da je nekoliko jedinica instalirano diljem SAD-a do lipnja 2008.[10]
Arborwind, kompanija sa sjedištem u Ann-Arboru (Michigan, SAD), prozvodi mali patentirani vjetroagregat s okomitom osovinom koji od 2013. postavljen na više lokacija diljem SAD-a.[11]
U 2011. znanstvenici iz Sandia National Laboratories započeli su petogodišnje istraživanje o primjeni vjetroagregata s okomitom osovinom za priobalne vjetroelektrane.[12] Istraživači su zaključili: „Ekonomika priobalnih vjetroelektrana je drugačija od kopnenih zbog izazova pri ugradnju i u funkcioniranju. Vjetroagregati s okomitom osovinom nude tri velike prednosti koje mogu smanjiti troškove energije vjetra: niže težište turbine, manja složenost stroja i bolja skalabilnost pri većim veličinama. Niže težište znači poboljšanje stabilnosti na vodi i manje opterećenje uslijed gravitacije. Osim toga, pogon vjetroagregata s okomitom osovinom je blizu površine što olakšava i ubrzava održavanje. Manje dijelova, manja opterećenja i jednostavnije održavanje, sve to vodi smanjenju troškova.“
Početkom 2010. John Dibri, profesor aeronautike s Caltecha, izradio je demonstracijski projekt s 24 vjetroagregatske jedinice s okomitom osovinom u južnoj Kaliforniji. Njegova je konstrukcija inkorporirana u vjetropark s 10 vjetroagregatskih jedinici koji je izgrađen 2013. u Igiugigu, selu na Aljasci.[13]
Dulas (Anglesey) je u ožujku 2014.godine dobio dozvolu za instalaciju prototipa vjetroagregata s okomitom osovinom na lukobranu Port Talbota. Turbina ima nov dizajn, za koji je zaslužan C-FEC, tvrtka sa sjedištem u Walesu,[14] te će isti biti na probnom roku od dvije godine.[15]
Dynasphere je Michael Reynoldsova četvrta generacija vjetrenjača s okomitom osi. Te vjetrenjače imaju dva 1,5 kW generatora i mogu proizvesti struju na vrlo niskim brzinama.[16]
Izvori
- ↑ Jha, Ph.D., A.R. (2010). Wind turbine technology. Boca Raton, FL: CRC Press
- ↑ Amina El Kasmi, Christian Masson, An extended k-epsilon model for turbulent flow through horizontal-axis wind turbines, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Volume 96, Issue 1, January 2008, Pages 103-122
- ↑ Sandra Eriksson, Hans Bernhoff, Mats Leijon, (June 2008), "Evaluation of different turbine concepts for wind power", Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (5): 1419–1434, doi:10.1016/j.rser.2006.05.01, ISSN 1364-0321
- ↑ Steven Peace, Another Approach to Wind
- ↑ Kathy Svitil, Wind-turbine placement produces tenfold power increase, researchers say
- ↑ Chiras, D. (2010). Wind power basics: a green energy guide. Gabriola Island, BC, Canada: New Society Pub.
- ↑ Sutherland, Herbert J; Berg, Dale E; Ashwill, Thomas D. (2012). "A Retrospective of VAWT Technology" (PDF). Sandia National Laboratories
- ↑ Buchner, A. J.; Lohry, M. W.; Martinelli, L.; Soria, J.; Smits, A. J. (2015). "Dynamic stall in vertical axis wind turbines: Comparing experiments and computations". Journal of Wind Engineering and Industrial Technology
- ↑ Ferreira, C. S.; van Kuik, G.; van Bussel, G.; Scarano, F. (2009). "Visualization by PIV of dynamic stall on a vertical axis wind turbine". Experiments in Fluids
- ↑ LaMonica, Martin (2 June 2008). "Vertical-axis wind turbine spins into business". CNET
- ↑ "History". Arbor Wind
- ↑ Holinka, Stephanie (8 August 2012). "Offshore Use of Vertical-axis Wind Turbines Gets Closer Look". Renewable Energy World
- ↑ Bullis, Kevin (8 April 2013). "Will Vertical Turbines Make More of the Wind?"
- ↑ "C-Fec turbine". C-Fec, pristupljeno 18. rujna 2015.
- ↑ "Dulas secures consent for prototype 'vertical axis' wind turbine". Renewable Energy Focus
- ↑ "Vertical Axis Wind Power Generation Prototype". Earthship Biotecture