Niekonwencjonalne turbiny wiatrowe
Niekonwencjonalne turbiny wiatrowe to takie, które znacznie różnią się od najczęściej używanych typów.
Od 2012 r. Najpopularniejszym typem turbiny wiatrowej jest trójłopatowa turbina wiatrowa o poziomej osi nawietrznej (HAWT), w której wirnik turbiny znajduje się z przodu gondoli i jest skierowany w stronę wiatru przed wieżą turbiny podtrzymującej . Drugim głównym typem jednostki jest turbina wiatrowa o pionowej osi (VAWT), z łopatami wystającymi do góry, wsparta na obracającej się ramie.
Ze względu na duży rozwój energetyki wiatrowej istnieje wiele projektów turbin wiatrowych , które są w fazie rozwoju lub zostały zaproponowane. Różnorodność projektów odzwierciedla bieżące zainteresowania handlowe, technologiczne i wynalazcze w zakresie wydajniejszego pozyskiwania zasobów wiatru i na większą skalę.
Niektóre niekonwencjonalne projekty weszły do użytku komercyjnego, podczas gdy inne zostały tylko zademonstrowane lub są tylko koncepcjami teoretycznymi. Niekonwencjonalne projekty obejmują szeroką gamę innowacji, w tym różne typy wirników, podstawowe funkcje, konstrukcje wsporcze i współczynniki kształtu.
Pozioma oś
Wirnik z dwoma ostrzami
Prawie wszystkie nowoczesne turbiny wiatrowe wykorzystują wirniki z trzema łopatami, ale niektóre używają tylko dwóch łopat. Był to typ używany w Kaiser-Wilhelm-Koog w Niemczech, gdzie duża eksperymentalna dwułopatowa jednostka – GROWIAN lub Große Windkraftanlage (duża turbina wiatrowa) – działała od 1983 do 1987. Inne prototypy i typy turbin wiatrowych zostały wyprodukowane przez NedWind. Park wiatrowy Eemmeerdijk w Zeewolde w Holandii wykorzystuje wyłącznie turbiny dwułopatowe. Turbiny wiatrowe z dwoma łopatami są produkowane przez Windflow Technology , Mingyang Wind Power , GC China Turbine Corp i Nordic Windpower . Turbiny wiatrowe NASA (1975–1996) miały 2-łopatowe wirniki, wytwarzające taką samą energię przy niższych kosztach niż konstrukcje z trzema łopatami.
Wirnik z wiatrem
Prawie wszystkie turbiny wiatrowe umieszczają wirnik przed gondolą, gdy wieje wiatr (konstrukcja pod wiatr). Niektóre turbiny umieszczają wirnik za gondolą (konstrukcja z wiatrem). Ta konstrukcja ma tę zaletę, że turbinę można ustawić tak, aby biernie ustawiała się w linii z wiatrem, co zmniejsza koszty. Główną wadą jest to, że obciążenie łopatek zmienia się, gdy przechodzą one za wieżą, zwiększając obciążenie zmęczeniowe i potencjalnie ekscytujące rezonanse w innych konstrukcjach turbiny.
Wirnik kanałowy
Projekt badawczy, wirnik kanałowy składa się z turbiny wewnątrz kanału, który rozszerza się z tyłu. Nazywa się je również turbinami wiatrowymi wspomaganymi przez dyfuzor (tj. DAWT). Jego główną zaletą jest to, że może pracować w szerokim zakresie wiatrów i generować większą moc na jednostkę powierzchni wirnika. Kolejną zaletą jest to, że generator działa z dużą prędkością obrotową, więc nie wymaga nieporęcznej skrzyni biegów , dzięki czemu część mechaniczna jest mniejsza i lżejsza. Wadą jest to, że (oprócz skrzyni biegów) jest bardziej skomplikowany niż wirnik bez kanału, a ciężar kanału zwiększa wagę wieży. The Éolienne Bollée jest przykładem DAWT.
Współosiowy, wielowirnikowy
Dwa lub więcej wirników można zamontować na jednym wale napędowym, a ich połączone współbieżne obracanie razem obraca ten sam generator: świeży wiatr jest doprowadzany do każdego wirnika przez wystarczającą odległość między wirnikami w połączeniu z kątem przesunięcia (alfa) od kierunku wiatru. Wirowość śladu jest przywracana, gdy górna część śladu uderza w dno następnego wirnika. Moc została kilkakrotnie zwielokrotniona przy użyciu współosiowych, wielu wirników w testach przeprowadzonych przez wynalazcę i badacza Douglasa Selsama w 2004 r. Pierwszą dostępną na rynku współosiową turbiną wielowirnikową jest opatentowana dwuwirnikowa American Twin Superturbine firmy Selsam Innovations w Kalifornii, z 2 śmigłami oddalonymi o 12 stóp. Jest to najpotężniejsza dostępna turbina o średnicy 7 stóp (2,1 m) dzięki temu dodatkowemu wirnikowi. W 2015 roku inżynierowie lotnictwa z Iowa State University, Hui Hu i Anupam Sharma, optymalizowali projekty systemów wielowirnikowych, w tym dwuwirnikowy model współosiowy z poziomą osią. Oprócz konwencjonalnego wirnika z trzema ostrzami, ma mniejszy wtórny wirnik z trzema ostrzami, pokrywający obszar w pobliżu osi, zwykle nieefektywnie zbierany. Wstępne wyniki wskazywały na wzrost o 10–20%, mniej wydajny niż twierdzą istniejące konstrukcje przeciwbieżne.
Przeciwbieżna oś pozioma
Kiedy układ wyrzuca lub przyspiesza masę w jednym kierunku, przyspieszona masa powoduje proporcjonalną, ale przeciwną siłę działającą na ten układ. Wirująca łopata turbiny wiatrowej z jednym wirnikiem powoduje znaczną ilość stycznego lub obrotowego przepływu powietrza. Energia tego stycznego przepływu powietrza jest marnowana w konstrukcji śmigła z jednym wirnikiem. Aby wykorzystać ten zmarnowany wysiłek, umieszczenie drugiego wirnika za pierwszym wykorzystuje zakłócony przepływ powietrza i może uzyskać do 40% więcej energii z danego obszaru omiatania w porównaniu z pojedynczym wirnikiem. Inne zalety przeciwbieżności obejmują brak przekładni i automatyczne centrowanie na wietrze (nie są wymagane silniki/mechanizm odchylający). Istnieje zgłoszenie patentowe z 1992 r. oparte na pracy wykonanej z Trimblemill.
Kiedy przeciwbieżne turbiny znajdują się po tej samej stronie wieży, łopaty z przodu są lekko pochylone do przodu, aby uniknąć uderzenia w tylne. Jeśli łopaty turbiny znajdują się po przeciwnych stronach wieży, najlepiej, aby łopatki z tyłu były mniejsze niż łopaty z przodu i ustawione na zatrzymanie przy większej prędkości wiatru. Dzięki temu generator może działać w szerszym zakresie prędkości wiatru niż generator z pojedynczą turbiną dla danej wieży. Aby zredukować wibracje współczulne , dwie turbiny powinny obracać się z prędkością o kilku wspólnych wielokrotnościach, na przykład przełożenie prędkości 7:3. [ potrzebne źródło ]
Gdy obszar lądowy lub morski dla drugiej turbiny wiatrowej nie jest na wagę złota, 40% zysk z drugiego wirnika należy porównać ze 100% zyskiem dzięki kosztowi oddzielnego fundamentu i wieży z okablowaniem dla drugiej turbiny. Całkowity współczynnik mocy przeciwbieżnej poziomej turbiny wiatrowej może zależeć od osiowego i promieniowego przesunięcia wirników oraz od rozmiaru wirników. Od 2005 r. Żadne duże, obracające się w przeciwnych kierunkach HAWT nie są sprzedawane na rynku.
Zwijający się ogon i skręcające się ostrza
Oprócz łopat o zmiennym skoku, rolowane ogony i skręcane łopaty to inne ulepszenia turbin wiatrowych. Podobnie jak łopaty o zmiennym skoku, mogą również znacznie zwiększyć wydajność i być stosowane w konstrukcjach typu „zrób to sam”
Styl wiatraka
De Nolet to turbina wiatrowa w Schiedam przebrana za wiatrak .
Śruba Archimedesa
Zamiast łopatek inspirowanych samolotami, projekt nawiązuje do turbiny śrubowej Archimedesa , rury o kształcie spirali, używanej w starożytnej Grecji do pompowania wody z głębszego źródła.
Bezłopatkowy
Warstwa graniczna
Warstwa graniczna lub turbina Tesli wykorzystuje warstwy graniczne zamiast łopatek.
Jedną z nowoczesnych wersji jest turbina Fullera. Koncepcja jest podobna do stosu dysków na centralnym wale, oddzielonych małą szczeliną powietrzną. Napięcie powierzchniowe powietrza w małych szczelinach powoduje tarcie, obracając dyski wokół wału. Łopatki kierują powietrze w celu poprawy wydajności, dlatego nie jest całkowicie bezłopatkowy.
Bezłopatkowy generator wiatru jonowego
Bezłopatkowy generator wiatru jonowego to teoretyczne urządzenie, które wytwarza energię elektryczną za pomocą wiatru do przenoszenia ładunku elektrycznego z jednej elektrody na drugą.
Piezoelektryczny
Piezoelektryczne turbiny wiatrowe działają na zasadzie wyginania kryształów piezoelektrycznych podczas ich obracania, co wystarcza do zasilania małych urządzeń elektronicznych. Działają ze średnicami w skali 10 centymetrów.
Słoneczna wieża wstępująca
Turbiny wiatrowe mogą być używane w połączeniu z kolektorami słonecznymi do pozyskiwania energii z powietrza ogrzanego przez słońce i wznoszącego się przez dużą pionową wieżę wstępującą.
Wir
Urządzenie Vortex Bladeless maksymalizuje zrzucanie wirów , wykorzystując wirowość wiatru do trzepotania lekkim pionowym słupem, który dostarcza tę energię do generatora na dole słupa. Projekt był krytykowany za wydajność 40%, w porównaniu do 70% w przypadku konwencjonalnych projektów. Jednak poszczególne bieguny można umieścić bliżej siebie, kompensując straty. Konstrukcja pozwala uniknąć elementów mechanicznych, obniżając koszty. System nie zagraża również życiu ptaków i działa cicho.
safoński
Konstrukcja Saphonian wykorzystuje talerz oscylacyjny do napędzania tłoka, który następnie łączy się z generatorem.
Promień wiatru
Generator Windbeam składa się z belki zawieszonej na sprężynach w ramie zewnętrznej. Wiązka oscyluje szybko, gdy jest wystawiona na przepływ powietrza z powodu wielu zjawisk związanych z przepływem płynu. Alternator liniowy przekształca ruch wiązki. Brak łożysk i kół zębatych eliminuje nieefektywność tarcia i hałas. Generator może pracować w warunkach słabego oświetlenia, nieodpowiednich dla paneli słonecznych (np. przewody HVAC ). Koszty są niskie dzięki niskim kosztom komponentów i prostej konstrukcji.
Pas wiatrowy
Windbelt to elastyczny, naprężony pas, który wibruje pod wpływem przepływającego powietrza w wyniku trzepotania aeroelastycznego. Magnes zamontowany na jednym końcu pasa oscyluje wewnątrz i na zewnątrz zwiniętych uzwojeń, wytwarzając energię elektryczną. Wynalazcą jest Shawn Frayne.
Antenowy
Powietrzne turbiny wiatrowe mogą działać na małych lub dużych wysokościach; są częścią szerszej klasy powietrznych systemów energii wiatrowej (AWES), do których odnosi się energia wiatrowa na dużych wysokościach i moc latawców z bocznym wiatrem . Turbiny wiatrowe mogłyby latać przy wietrze o dużej prędkości, stosując energii wiatrowej na dużych wysokościach , wykorzystując wiatry na dużych wysokościach.
Kiedy generator znajduje się na ziemi, samolot na uwięzi nie musi przenosić masy generatora ani mieć przewodzącej linki. Gdy generator znajduje się w górze, przewodzący kabel byłby używany do przesyłania energii na ziemię lub używany w górze lub przesyłany do odbiorników za pomocą mikrofal lub lasera.
Na przykład system latawców na uwięzi mógłby wychwytywać energię z wiatrów na dużych wysokościach. Inna koncepcja wykorzystuje balon wypełniony helem z przymocowanymi żaglami do generowania ciśnienia i napędzania obrotu wokół osi poziomej. Ruch kołowy lin przenosi energię kinetyczną do naziemnego generatora.
Pionowy
Gorłow
Śrubowa turbina Gorłowa (GHT) jest modyfikacją konstrukcji turbiny Darrieusa , która wykorzystuje spiralne łopatki/folie.
Zamknięte ostrza
Jeden projekt wykorzystuje wiele nylonowych ostrzy do uruchomienia generatora. Jego magnesy trwałe znajdują się na końcach ostrzy, podczas gdy stojan jest pierścieniem na zewnątrz ostrzy.
Wirnik H
Giromill to turbina o pionowej osi obrotu, która obraca jedną łopatkę w jednym kierunku, podczas gdy druga porusza się w przeciwnym kierunku. W rezultacie w danej chwili pracuje tylko jedno ostrze. Jego skuteczność jest niska.
Turbina wiatrowa VAWT z obrotowym skrzydłem
Turbiny wiatrowe z obrotowymi skrzydłami lub turbiny wiatrowe z obrotowymi skrzydłami to nowa kategoria turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu (VAWT), które wykorzystują 1 pionowo stojący, niehelikalny płat do generowania obrotu o 360 stopni wokół pionowego wału, który biegnie przez środek płat.
O-Turbina wiatrowa
Turbina wszechkierunkowa wykorzystująca zasadę Bernoulliego do generowania energii z wiatru wiejącego z dowolnego kierunku. Konstrukcja jest kulista z wieloma kanałami na powierzchni, różnica ciśnień powoduje obrót. Projekt zdobył nagrodę James Dyson Award 2018.
składniki
INVELOX
Technologia INVELOX firmy SheerWind została opracowana przez dr Daryousha Allaei. Wynalazek wychwytuje i dostarcza wiatr do turbiny. W pewnym sensie INVELOX jest układem wtrysku powietrza, podobnie jak układ wtrysku paliwa w samochodach. Działa poprzez przyspieszanie wiatru. Duży wlot przechwytuje wiatr i kieruje go do koncentratora, który kończy się Venturiego i ostatecznie wiatr wychodzi z dyfuzora. Turbiny są umieszczone wewnątrz sekcji Venturiego INVELOX. Wewnątrz zwężki Venturiego ciśnienie dynamiczne jest wysokie, a ciśnienie statyczne jest niskie. Turbina przekształca ciśnienie dynamiczne lub energię kinetyczną w obrót mechaniczny, a tym samym w energię elektryczną za pomocą generatora. Urządzenie zostało skonstruowane i przetestowane, ale było krytykowane za brak wydajności. Od 2017 roku instalowane są prototypy.
Aplikacje
dach
Turbiny wiatrowe mogą być instalowane na dachach budynków. Przykłady obejmują Marthalen Landi-Silo w Szwajcarii, Council House 2 w Melbourne , Australia . Ridgeblade w Wielkiej Brytanii to pionowa turbina wiatrowa zamontowana na boku na szczycie spadzistego dachu. Innym przykładem zainstalowanym we Francji jest Aeolta AeroCube. Discovery Tower to budynek biurowy w Houston w Teksasie , który zawiera 10 turbin wiatrowych.
Muzeum Nauki w Bostonie w stanie Massachusetts rozpoczęło budowę laboratorium turbin wiatrowych na dachu w 2009 roku. Laboratorium testuje dziewięć turbin wiatrowych od pięciu różnych producentów. Dachowe turbiny wiatrowe mogą cierpieć z powodu turbulencji, zwłaszcza w miastach, co zmniejsza moc wyjściową i przyspiesza zużycie turbiny. Laboratorium ma na celu rozwiązanie problemu ogólnego braku danych dotyczących wydajności miejskich turbin wiatrowych.
Ze względu na ograniczenia konstrukcyjne budynków, ograniczoną przestrzeń w obszarach miejskich oraz względy bezpieczeństwa, turbiny budynkowe są zwykle małe (o mocy w niskich kilowatach ). Wyjątkiem jest Bahrain World Trade Center z trzema turbinami wiatrowymi o mocy 225 kW zamontowanymi między bliźniaczymi drapaczami chmur.
Napędzany ruchem
Propozycje wzywają do generowania mocy z energii w ciągu tworzonym przez ruch drogowy.
Edukacja
W niektórych instalacjach zainstalowano centra dla zwiedzających na podstawach turbin lub zapewniając obszary widokowe. Same turbiny wiatrowe mają na ogół konwencjonalną konstrukcję, pełniąc jednocześnie niekonwencjonalne funkcje demonstracji technologii, public relations i edukacji.
Zobacz też
- EWICON
- Kompaktowa turbina przyspieszająca wiatr
- Moc latawca z bocznym wiatrem
- Turbina wiatrowa Savoniusa
- Turbina wiatrowa o pionowej osi
- Obiektyw wiatru
- Olej niekonwencjonalny
- Gaz niekonwencjonalny
