Pionowa turbina wiatrowa - Fundacja Utopia

Pionowa turbina wiatrowa, znana również jako VAWT (Vertical Axis Wind Turbine), stanowi innowacyjne rozwiązanie w dziedzinie odnawialnych źródeł energii. Dzięki swojej unikatowej konstrukcji, jest w stanie efektywnie wykorzystywać energię wiatru niezależnie od jego kierunku.
Pionowa turbina wiatrowa charakteryzuje się osią obrotu ustawioną pionowo względem gruntu. Główne składniki, takie jak generator i skrzynia biegów, znajdują się przy podstawie turbiny, ułatwiając serwisowanie i naprawę.
VAWT mogą być zasadniczo podzielone na dwa główne typy: turbiny typu Savoniusa i Darrieusa, z dodatkową kategorią obejmującą obracające się skrzydła lub wirniki lub modyfikację.

Pionowa turbina wiatrowa – rodzaje

Turbiny Savoniusa

Turbiny Savoniusa wykorzystują unikalną zasadę działania, opartą na sile oporu do generowania energii, dzięki czemu wyróżniają się wśród innych technologii odnawialnych źródeł energii. Ich charakterystyczna konstrukcja obejmuje dwa lub trzy łopatki o kształcie półcylindrycznym, nazywane często „łyżkami”, które są zdolne do chwytania wiatru. Te łopaty są zamontowane do pionowej osi i zaprojektowane w taki sposób, by jedna strona była wypukła, a druga wklęsła. Umożliwia to efektywne łapanie wiatru przez część wypukłą i generowanie przez nią siły oporu. Dzięki temu, kiedy wiatr napotyka na wypukłą stronę łopaty, wywiera na nią większą siłę oporu niż na wklęsłą stronę, co skutkuje obracaniem się turbiny wokół jej osi.

Chociaż turbiny Savoniusa są cenione za prostotę i odporność, ich głównym ograniczeniem jest stosunkowo niska efektywność energetyczna. Powoduje to fakt, że tylko jedna strona turbiny wytwarza pozytywny moment obrotowy, podczas gdy druga, poruszając się przeciwko kierunkowi wiatru, generuje moment ujemny, co wpływa na ogólną wydajność turbin.

Zalety

Wszechstronność: Turbina Savoniusa może pracować w różnych warunkach wiatrowych, w tym przy niskich prędkościach wiatru.
Prostota konstrukcji: Prosta budowa turbiny ułatwia jej montaż i konserwację.
Niska prędkość obrotowa: Turbina działa przy relatywnie niskich prędkościach obrotowych, co sprawia, że jest bezpieczniejsza dla ptaków i innych zwierząt.

Wady

Niska efektywność: Turbiny Savoniusa mają niższą efektywność w porównaniu do turbin z osią poziomą lub innymi typami VAWT.
Ograniczona wydajność: Ze względu na zasadę działania opartą na sile oporu, turbiny te nie są tak wydajne jak turbiny wykorzystujące siłę nośną.

Zastosowania

Turbiny Savoniusa znajdują zastosowanie w małych instalacjach, w takich jak: urządzenia do ładowania akumulatorów, systemy wentylacyjne, w projektach edukacyjnych.

Turbiny Darrieusa

Turbina Darrieusa składa się z kilku łopat zakrzywionych wokół pionowej osi, przypominających w swoim kształcie literę „C” lub „S”. Mogą to być również proste łopaty w wersji zwanej „H-rotor”. Łopaty są zamocowane na obu końcach pionowego wału, który przenosi generowaną moc do generatora.

Różnica ciśnień po obu stronach łopaty generuje siłę nośną, która jest prostopadła do kierunku nadchodzącego wiatru. Skutkuje to obrotem turbiny i produkcją energii elektrycznej.

Zalety

Wysoka efektywność: Turbiny Darrieusa są bardziej efektywne niż turbiny typu Savoniusa, szczególnie przy wyższych prędkościach wiatru.

Wady

Trudności z rozruchem: Turbiny Darrieusa mogą mieć problemy z rozruchem z powodu niskiego momentu obrotowego przy niskich prędkościach wiatru.
Skomplikowana konstrukcja: Budowa turbiny wymaga precyzyjnej produkcji łopat i ich mocowania, co może zwiększać koszty inwestycji.

Zastosowania

Turbiny Darrieusa znajdują zastosowanie w małych i średnich instalacjach do produkcji energii elektrycznej, zarówno w zastosowaniach komercyjnych, jak i badawczych.

Turbiny pionowe z obracającymi się skrzydłami lub wirnikami

Stanowią nową kategorię wśród VAWT, wykorzystując pojedyncze, pionowo stojące, niehelikalne skrzydło do generowania rotacji o 360 stopni wokół pionowej osi. Jest to nowoczesne podejście, które może oferować dodatkowe korzyści w zakresie wydajności. Koncepcja stosowana w niektórych projektach pionowych turbin wiatrowych polega na wykorzystaniu ruchomych elementów aerodynamicznych do generowania energii elektrycznej.

Skrzydła lub łopaty mogą obracać się wokół własnych osi, będąc jednocześnie zamocowanymi do centralnej osi pionowej. Taka konfiguracja pozwala na dynamiczną adaptację do zmieniających się warunków wiatrowych, co może zwiększać efektywność aerodynamiczną. Obracające się skrzydła wykorzystują siłę nośną generowaną przez wiatr. Skrzydła te dostosowują swoje położenie tak, aby optymalnie wykorzystać energię wiatru. Zmiana kąta natarcia skrzydeł w odpowiedzi na siłę i kierunek wiatru pozwala na zmniejszenie oporu aerodynamicznego i zwiększenie siły nośnej.

Zalety

Adaptacyjność: Możliwość dostosowania kąta skrzydeł do warunków wiatrowych może znacząco zwiększyć wydajność turbin, zwłaszcza w zmiennym klimacie.
Efektywność: Poprzez optymalizację siły nośnej, obracające się skrzydła mogą teoretycznie generować więcej energii z danego strumienia wiatru niż niektóre statyczne konstrukcje VAWT.

Wady

Kompleksowość: System wymaga mechanizmów do obracania skrzydeł, co wprowadza dodatkową złożoność konstrukcyjną i potencjalne punkty awarii.
Koszty: Wyższa złożoność mechanizmu może prowadzić do wzrostu kosztów produkcji i utrzymania.

Zastosowania

Turbiny z obracającymi się skrzydłami mogą znaleźć zastosowanie w specjalistycznych projektach. Ich unikalne właściwości mogą być wykorzystane do maksymalizacji produkcji energii w trudnych warunkach wiatrowych. Możliwe zastosowania obejmują zarówno małe instalacje prywatne, jak i większe projekty komercyjne, gdzie innowacyjność i efektywność są kluczowe.

Pionowa turbina wiatrowa – innowacje

Najciekawsze i najbardziej innowacyjne pionowe turbiny wiatrowe na świecie obejmują różnorodne projekty. Wykorzystują unikalne technologie i materiały w celu zwiększenia efektywności, zmniejszenia kosztów i minimalizacji wpływu na środowisko.

World Wide Wind’s Contra-Rotating VAWT

Norweski startup World Wide Wind wprowadził przełomową koncepcję pionowej turbiny wiatrowej z przeciwbieżnie obracającymi się rotorami, do zastosowań na morzu. Kluczowym elementem projektu jest umieszczenie ciężkiego generatora na dole konstrukcji, pod wodą, co zapewnia nie tylko stabilność turbiny, ale także eliminuje potrzebę stosowania tradycyjnych systemów kotwiczenia.

Konstrukcja i funkcjonowanie

Turbinę tworzą dwie pionowe turbiny umieszczone jedna nad drugą. Każda wyposażona jest w trzy łopaty ustawione pod kątem 45 stopni w stosunku do głównej osi. Unikalność konstrukcji polega na przeciwnym kierunku obrotu tych turbin, co zwiększa efektywność wykorzystania energii wiatrowej. Przeciwbieżne obroty rotorów pozwalają turbinie na pasywne dostosowanie się do kierunku wiatru, co przekłada się na optymalizację wydajności i zwiększenie generowanej mocy.

Potencjał technologii

Dzięki tej innowacyjnej koncepcji, możliwe jest znaczące obniżenie kosztów energii wiatrowej na morzu (LCoE) do poziomu poniżej 50 USD/MWh. Stanowi to mniej niż połowę przewidywanych kosztów dla tradycyjnych turbin wiatrowych o poziomej osi (HAWT).

Współpraca i przyszłe plany

Projekt rozwijany jest we współpracy z AF Gruppen, co ma zaowocować testami prototypu o wysokości 19 metrów. Testy stanowią wstęp do dalszego rozwoju i ostatecznego wdrożenia komercyjnych turbin o mocy 24 MW przed rokiem 2030.

Innowacyjne materiały i technologie

Nowe generacje turbin wiatrowych wykorzystują innowacyjne materiały, w tym drewno balsy, recyklingowane szkło oraz zaawansowane żywice termoplastyczne. Ponadto, rozważa są produkcję segmentowanych łopat. Ma to na celu rozwiązanie problemów związanych z transportem i montażem. W tradycyjnych turbinach, długie i ciężkie łopaty mogą stanowić wyzwanie logistyczne oraz zwiększać ryzyko uszkodzeń podczas transportu i instalacji. Segmentacja pozwala na podzielenie łopat na mniejsze części, które są łatwiejsze do przetransportowania i zmontowania na miejscu. Zastosowanie technologii druku 3D w produkcji turbin wiatrowych, szczególnie w tworzeniu form do ich części, może znacząco obniżyć koszty produkcji. Druk 3D umożliwia szybsze i bardziej elastyczne tworzenie prototypów oraz końcowych komponentów, co skraca czas produkcji i redukuje zużycie materiałów.

Pionowa turbina wiatrowa a infrastruktura miejska

Specyficzna struktura miast i obszarów gęsto zabudowanych stwarza możliwości dla rozwoju energetyki wiatrowej, szczególnie w kontekście turbin pionowych (VAWT). Dzięki swojej konstrukcji i zdolności do pracy w różnorodnych warunkach wiatrowych, te turbiny mogą skutecznie wkomponować się w miejski krajobraz, oferując szansę na lokalną produkcję zrównoważonej energii.

Turbiny wiatrowe instalowane w obrębie budynku można podzielić na trzy główne typy: turbiny montowane na budynku (BMWT), turbiny zintegrowane z budynkiem (BIWT) oraz turbiny zwiększające przepływ powietrza (BAWT). Każdy z tych typów ma swoje unikalne właściwości i zastosowania, dostosowane do różnych potrzeb energetycznych w środowisku miejskim.

Turbiny montowane na budynku (BMWT) są umieszczane na dachu lub na elewacji budynków. Charakteryzują się one relatywną łatwością instalacji i mogą być dodawane do istniejących struktur bez potrzeby znaczących modyfikacji konstrukcyjnych. Jednak turbulencje i zmienne warunki wiatrowe charakterystyczne dla środowiska miejskiego mogą ograniczać ich efektywność.

Turbiny zintegrowane z budynkiem (BIWT) oferują innowacyjne podejście, w którym turbiny są wplecione w architekturę budynku, często w sposób, który pozwala na lepsze wykorzystanie lokalnych warunków wiatrowych. Ich projektowanie uwzględnia nie tylko aspekty techniczne, ale i estetyczne, czyniąc turbiny integralną częścią konstrukcji lub elewacji. BIWT są szczególnie atrakcyjne w kontekście miejskim, gdzie mogą wzbogacać wizualnie fasady i dachy, jednocześnie produkując zieloną energię. Ta integracja pozwala na efektywne wykorzystanie miejskiej przestrzeni, zapewniając dodatkową wartość zarówno dla budynku, jak i dla środowiska.

Turbiny zwiększające przepływ powietrza (BAWT) wykorzystują unikalne cechy architektoniczne budynków do zwiększenia prędkości wiatru przed dotarciem do turbiny. Badania pokazały, że kształt budynku ma znaczący wpływ na wydajność BIWT, gdzie okrągłe kształty budynków mogą zwiększać prędkość wiatru.

Możliwości dla rozwoju energetyki wiatrowej w mieście

Wykorzystanie dachów budynków: Gęsta zabudowa miejska oferuje liczne płaskie dachy, które mogą służyć jako platformy dla turbin pionowych. Dachy wielopiętrowych budynków są często wystawione na silniejsze wiatry niż na poziomie ulicy, co zwiększa potencjał produkcyjny turbin.
Integracja z infrastrukturą miejską: Turbiny VAWT mogą być montowane wzdłuż dróg, na mostach czy w innych przestrzeniach publicznych. Gdzie nie tylko produkują energię, ale również mogą stanowić element architektoniczny. Ich niewielkie wymagania przestrzenne i adaptacyjność do miejskiego krajobrazu umożliwiają szeroką skalę zastosowań. Umieszczając turbiny na poboczach dróg i wzdłuż linii kolejowych, można wykorzystać przepływ powietrza generowany przez poruszające się pojazdy do produkcji energii elektrycznej. Jest to szczególnie efektywne w miejscach o intensywnym ruchu, gdzie przepływ powietrza generowany przez pojazdy jest stały i przewidywalny. Ich konstrukcja pozwala na umieszczenie generatora i innych kluczowych komponentów na poziomie gruntu, co ułatwia obsługę i konserwację.
Odporność na zmienne warunki wiatrowe: Miasta charakteryzują się złożonymi warunkami wiatrowymi z powodu obecności wysokich budynków. Turbiny pionowe są w stanie efektywnie wykorzystywać wiatr nadchodzący z różnych kierunków bez potrzeby orientacji.
Redukcja hałasu i bezpieczeństwo: Pionowe turbiny wiatrowe mają mniejszy wpływ akustyczny głównie ze względu na ich konstrukcję i sposób działania, który generuje mniej hałasu niż tradycyjne turbiny poziome. Ich łopaty obracają się z mniejszą prędkością obwodową, co przekłada się na niższy poziom generowanego dźwięku. Ponadto, ze względu na umiejscowienie blisko ziemi, hałas jest dodatkowo zredukowany przez otaczające przeszkody naturalne i budowlane. Turbiny te są bardziej przyjazne dla ptaków i fauny, dzięki mniejszej prędkości obrotowej łopatek.
Edukacja i podnoszenie świadomości ekologicznej: Instalacje turbin wiatrowych w przestrzeniach publicznych mogą służyć jako narzędzie edukacyjne, zwiększając świadomość mieszkańców na temat odnawialnych źródeł energii i zrównoważonego rozwoju.

Przydomowa elektrownia wiatrowa – efektowność

W elektrowniach z turbinami o pionowej osi obrotu, efektywnie w produkcję energii angażuje się tylko około połowa ich powierzchni. Reszta powierzchni tworzy opór, co przekłada się na ograniczenie efektywności całej instalacji. W rezultacie, sprawność energetyczna takich elektrowni wiatrowych wynosi zazwyczaj około 40%.

Próg uruchomienia: VAWT mogą zaczynać generować energię przy niższych prędkościach wiatru w porównaniu do HAWT, co czyni je atrakcyjnymi w warunkach miejskich lub zmiennych warunkach wiatrowych. Typowe prędkości uruchomienia to 1-3 m/s.
Nominalna prędkość wiatru: Dla VAWT jest to prędkość, przy której osiągają one maksymalną efektywność. Zazwyczaj jest niższa niż dla turbin z poziomą osią obrotu, co sprawia, że nadaja sie one bardziej do środowisk o mniejszych prędkościach wiatru.

Moja Elektrownia Wiatrowa – dotacje

W ramach programu Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej właściciele lub współwłaściciele budynku mieszkalnego (lub lokalu mieszkalnego w budynku mieszkalnym) będą mogli uzyskać dofinansowanie na mikroinstalację wiatrową i magazyn energii elektrycznej.

Ogłoszenie pierwszego naboru wniosków przez NFOŚiGW – III kwartał 2024 r.

Wstępne informacje:
Budżet w wysokości 400 mln zł skierowany do prosumentów, planujących zakup i montaż nowych przydomowych elektrowni wiatrowych. Przewidziano dofinansowanie w formie dotacji do 50% kosztów kwalifikowanych, lecz nie więcej niż 30 tys. zł na jedną współfinansowaną instalację wiatrową oraz dofinansowanie w formie dotacji do 50% kosztów kwalifikowanych, lecz nie więcej niż 17 tys. zł na jeden magazyn energii elektrycznej – akumulator (o pojemności minimalnej 2 kWh).

Podsumowanie

Pionowe turbiny wiatrowe (VAWT) wyłaniają się jako kluczowe rozwiązanie w przemyśle energetyki odnawialnej. Ich innowacyjność i wszechstronność zdobywają uznanie dzięki zdolności do harmonijnego współistnienia z różnorodnymi krajobrazami. Choć są mniej efektywne energetycznie niż poziome turbiny wiatrowe (HAWT) – zachęcamy do zapoznania się z naszym artykułem na temat: Turbiny wiatrowe – podstawowe informacje, to właśnie pionowe turbiny wiatrowe oferują łatwość konserwacji, zmniejszony wpływ na środowisko naturalne oraz zwiększone bezpieczeństwo dla zwierząt. Te cechy sprawiają, że VAWT stanowią atrakcyjną opcję dla projektów związanych ze zrównoważonym rozwojem.

W miarę rozwoju technologii i zmniejszania kosztów instalacji, turbiny pionowe mogą stać się integralną częścią miejskich systemów energetycznych. Przyczyniając się do dekarbonizacji i zwiększania niezależności energetycznej miast poprzez integrację z innymi systemami odnawialnych źródeł energii, takimi jak fotowoltaika.

Zachęcamy do zapoznania się z innymi tekstami w dziale Ciekawostki oraz naszymi celami i ideami. Jak również do wsparcia Fundacji Utopia darowizną, dzięki temu będziemy mogli szybciej zrealizować naszą misję.

Źródła: