Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT, od angielskiego vertcal axis wind turbine) stanowią alternatywne podejście do wykonania turbiny wiatrowej. W odróżnieniu od tradycyjnych turbin, charakteryzują się one pionowym ustawieniem osi obrotu.

Pionowe turbiny wiatrowe (pod tą nazwą występują najczęściej) są zdolne do całkiem efektywnego wykorzystania wiatru napływającego z dowolnego, albo dość szybko zmieniającego się kierunku, co sprawia, że są bardziej elastyczne w różnych warunkach atmosferycznych. Działają też lepiej od tradycyjnych turbin, gdy zamontowane są nisko nad ziemią, w obszarze narażonym na występowanie różnego rodzaju zawirowań.

Pomimo pewnych wyzwań związanych z ich rozwojem, takich jak niższa sprawność w porównaniu do tradycyjnych turbin i pewne problemy z ich wykonaniem, pionowe turbiny wiatrowe przyciągają uwagę jako innowacyjne rozwiązanie w dziedzinie odnawialnych źródeł energii, szczególnie w kontekście zastosowań miejskich i obszarów o niskich prędkościach wiatru. Czyli… Polski. Nie bez przyczyny widać ich coraz więcej!

Pionowe turbiny wiatrowe mają kilka zalet, takich jak mniejsza konieczność dostosowywania się do zmieniającego się kierunku wiatru i zdolność do umieszczania generatorów na ziemi, co ułatwia konserwację i naprawy. Jednakże, w praktyce, tradycyjne turbiny o poziomej osi obrotu (HAWT) są obecnie bardziej powszechne ze względu na ich wyższą sprawność i mniejsze straty energetyczne. Pomimo to, pionowe turbiny wiatrowe są nadal badane i rozwijane jako alternatywa w niektórych zastosowaniach.

Budowa pionowej turbiny wiatrowej

Pionowa turbina wiatrowa różni się od tradycyjnych turbin o poziomej osi obrotu pod względem budowy, ale już nie z perspektywy zasady działania. Oto podstawowy opis tego, jak działa pionowa turbina wiatrowa.

Pionowe turbiny wiatrowe mają oś obrotu ustawioną pionowo, prostopadle do powierzchni ziemi. Łopatki rozmieszczone są wokół osi obrotu, tworząc konstrukcję wirnika podobną do ubijaczki do piany z domowego miksera. Łopatki mogą mieć różne kształty, a ich liczba może się różnić w zależności od projektu.

Turbinę wiatrową o pionowej osi obrotu można na przykład wykonać z dwóch beczek (turbina wiatrowa Savoniusa). Jej łopaty mogą mieć też zupełnie inny profil (turbina wiatrowa Darrieusa).

Jak działa turbina wiatrowa o pionowej osi obrotu?

Zasada działania jest identyczna, jak w przypadku tradycyjnych turbin o poziomej osi obrotu. Wiatr napotykający łopatki turbiny generuje moment obrotowy, który powoduje obrót wirnika wokół osi pionowej.

W miarę obracania się wirnika, łopatki przechodzą przez obszar wiatru, co powoduje zmianę ich kąta względem kierunku wiatru. W ten sposób generowana jest siła nośna, a w rezultacie powstaje siła napędzająca obrót wirnika.

Część ruchu łopaty wokół turbiny jest w pewnym sensie jałowa, tj. nie generuje użytecznego momentu obrotowego, a wręcz stawia opór. To odróżnia turbiny pionowe od poziomych, w których łopata przez cały okres obrotu wokół osi generuje moment obrotowy. Z tego względu sprawność turbin o pionowej osi obrotu jest mniejsza, bo część energii wiatru wykorzystywana jest do pokonania wspomnianego oporu.

Jeśli chodzi o generator, to tu nie ma nic zaskakującego. Obracający się wirnik jest z nim połączony, co pozwala przekształcać ruch obrotowy w energię elektryczną. W przeciwieństwie do tradycyjnych turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu, pionowe turbiny wiatrowe czasami połączone są ruchomym wałem z generatorem znajdującym się na ziemi. W przypadku turbin tradycyjnych, generator niemal zawsze umieszczony jest w gondoli.

Zalety pionowych turbin wiatrowych (VAWT)

Pionowe turbiny wiatrowe są zdolne do efektywnego wykorzystywania wiatru z różnych kierunków, co sprawia, że są bardziej uniwersalne w warunkach zmieniającego się kierunku wiatru.

Co więcej, nie wymagają dostosowywania się (obracania się) do zmieniającego się kierunku wiatru, co może zwiększać ich efektywność w warunkach o zmiennym wietrze. To ma kluczowe znaczenie na niskich wysokościach nad ziemią, gdzie wiatr zderza się z obiektami, wywołując zawirowania. Mała zmiana kierunku wiatru na obszarze zabudowanym może powodować lokalną dość istotną zmianę w miejscu zamontowania turbiny. To jednak nie oznacza konieczności zmiany ustawienia gondoli, jak w przypadku tradycyjnej turbiny.

Niektórzy uważają, że pionowe turbiny wiatrowe są pod pewnymi względami łatwiejsze w utrzymaniu. Ze względu na pionową os obrotu, nie wymagają one skomplikowanego układu obrotowego i łożysk, co ułatwia konserwację i naprawy. Z drugiej strony, wirnik zazwyczaj wymaga solidnych łożysk, na których się obraca, a niektóre konstrukcje montowane są z dwóch stron (tj. u dołu i u góry wirnika).

Generatory turbin pionowych mogą być ustawione bezpośrednio na gruncie, co ułatwia dostęp do nich dla konserwacji i napraw, a także eliminuje konieczność stosowania wież do ich montażu. Dzięki temu sama wieża może być nieco lżejsza, choć kosztem biegnącego przez środek wału przekazującego moment obrotowy do generatora.

Wady pionowej turbiny wiatrowej (VAWT)

Pionowe turbiny wiatrowe, obecnie, często charakteryzują się niższą sprawnością w porównaniu do tradycyjnych turbin o poziomej osi obrotu (HAWT), co może wpływać na ich ekonomiczną atrakcyjność.

Pionowe turbiny zazwyczaj są droższe niż tradycyjne o tej samej mocy. W porównaniu z tradycyjnymi, pionowe turbiny są na rynku krócej, a zatem ich konstrukcje są w mniejszym stopniu zoptymalizowane.

Warto podkreślić, że rozwój technologii pionowych turbin wiatrowych nadal trwa, a niektóre z wad mogą być z czasem zminimalizowane lub przezwyciężone poprzez innowacje i badania.