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 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

Sile i brzine.

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]

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.

Prednosti vjetroagregata s okomitom osovinom

Vjetroturbine s okomitom osi.

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.
• 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.

Nedostaci vjetroagregata s okomitom osovinom

Stvarni izgled Savoniusove turbine.

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. Današnjim modelima vjetroagregata s okomitom osovinom riješeni su mnogi problemi povezani s ranijim konstrukcijama. Međutim, ostalo je još posla. Jedan od glavnih izazova predstavlja dinamička izdržljivost lopatica pri brzom mijenjanju napadnoga kuta.

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.

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.

U 2011. znanstvenici iz Sandia National Laboratories započeli su petogodišnje istraživanje o primjeni vjetroagregata s okomitom osovinom za priobalne vjetroelektrane. 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.

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, te će isti biti na probnom roku od dvije godine.

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.