Analiza wydajności turbin wiatrowych o osi poziomej i pionowej

Ostatnio wielu klientów zadało nam pytania dotyczące turbin wiatrowych i zauważyliśmy pewien problem w komunikacji. Klienci często preferują turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu zamiast tych o poziomej osi obrotu. W szczególności europejscy klienci uznają turbiny o pionowej osi za bardziej estetyczne i przyjazne dla środowiska oraz lepiej dostosowane do lokalnych przepisów i warunków środowiskowych. Jako inżynier ds. sprzedaży z ponad dziesięcioletnim doświadczeniem w branży domowych systemów wiatrowych uznałem za konieczne przygotowanie rzetelnego i profesjonalnego artykułu analizującego różnice w sprawności pomiędzy tymi dwoma typami turbin wiatrowych.

Podstawową zasadą działania turbin wiatrowych jest przekształcanie energii wiatru w energię mechaniczną, która następnie jest zamieniana na energię elektryczną. W uproszczeniu wiatr napędza łopaty, powodując ich obrót, a obracające się łopaty napędzają wirnik umieszczony wewnątrz generatora, który przecina linie sił pola magnetycznego, generując w ten sposób prąd elektryczny. Choć podstawowa zasada działania jest taka sama, to sposób obrotu dwóch głównych typów turbin – o poziomej i pionowej osi – różni się fundamentalnie, co stanowi również główną przyczynę różnic w ich wydajności.

Weźmy jako przykład generator wiatrowy o mocy 5 kW. Przy prędkości wiatru wynoszącej 2 m/s, wiatrak o poziomej osi nie obraca się nawet, ale pionowa turbina wiatrowa zaczęła już się obracać. Jednak takie obracanie się nie generuje aktywnej mocy wyjściowej; wygląda jedynie na to, że urządzenie działa. Przy prędkości wiatru 5,5 m/s moc generowana przez poziomą turbinę wiatrową wynosi 2 kW, podczas gdy sprawność generowania mocy przez pionową turbinę wiatrową wynosi tylko 800 W. Jest to wyraźnie widoczne: pionowy generator wiatrowy jest bardziej odpowiedni do uruchamiania przy bardzo małych prędkościach wiatru, podczas gdy pozioma turbina wiatrowa osiąga znacznie wyższą sprawność generowania mocy po przekroczeniu prędkości wiatru zapoczątkowującej pracę (cut-in), wynoszącej 3 m/s – jej moc jest wówczas około 2,5 raza większa niż moc pionowego generatora wiatrowego.

Wirniki wiatrowe o osi pionowej mają zalety w obszarach o chaotycznych kierunkach wiatru. Mogą pobierać energię wiatru ze wszystkich kierunków w sposób ciągły, w pełnym zakresie 360 stopni, i przekształcać ją w energię mechaniczną. Poziome turbiny wiatrowe wymagają natomiast systemu sterowania skrętem (yaw), co powoduje opóźnienie oraz utratę części energii wiatru.

Wybór rodzaju generatorów wiatrowych zależy od lokalnych warunków energii wiatrowej, takich jak kierunek wiatru i średnia prędkość wiatru. Jeśli interesuje Cię energia odnawialna, skontaktuj się z nami w dowolnym momencie, aby dostosować do Twoich potrzeb wyjątkowe rozwiązanie systemu energetyki wiatrowej.