Energija vetra - tipovi vetroturbina

Vetroturbine,poznatije kao vetrenjače koriste se već oko 1000 godina. Tokom 19. veka masovno su korišćene za pokretanje mlinova, strugara ili pumpi za vodu posebno u Holandji, Danskoj i SAD.

Za njih je karakteristično da pretvaraju energiju kretanja vetra u energiju obrtnog kretanja, pa je neposredan ishod njihove funkcije vratilo koje se obrće i može pokretati neki radni uređaj.

Koeficijent korisnog dejstva ovih mašina (tj. količnik energije proizvedene na obrtnom vratilu i energije koju vetar utroši na to obrtanje) ne može preći Betz-ovu teoretsku granicu od 16/27 ili u procentima 59,3%.
Prema uzajamnom položaju obrtne ose rotora i pravca vetra koji ga pokreće, vetroturbine se dele na aksijalne (osa rotora uglavnom paralelna sa podlogom, tj. pravac vetra duž te ose) i radijalne (osa rotora uglavnom upravna na podlogu, tj. pravac vetra upravan na tu osu).

Aksijalne vetroturbine:

Danas dominiraju u eksploataciji i najčešće imaju dva (Sl.1) ili tri krila (Sl.2). Prva trokrilna aksijalna vetroturbina, namenjena pokretanju elektrogeneratora, konstruisana je sredinom prošlog veka u Danskoj, a na osnovu nje je razvijena većina savremenih vetroturbina ove primene. Vremenom su usavršeni aerodinamički profili krila, tehnologija materijala rotora i prenosnih mehanizama, te danas nezaobilazni elektrogenerator sa pratećim elektronskim kontrolerima. Elektroprivrede razvijenih zemalja već raspolažu skupovima aksijalnih vetroturbina u formi eolskih plantaža. Ovde pojedinačna turbina-član, kompromisom između svoje nazivne snage, troškova izrade i životnog veka, već postiže cenu kilovat-časa generisane električne energije od 0,06 eura.

Većoj snazi aksijalnih vetroturbina posebno doprinosi dužina krila rotora, kojoj je srazmeran moment sile na pogonskom vratilu, ali i opasnost od lomljenja istih pri brzinama vetra iznad 15 m/s. Problem se donekle prevazilazi izradom krila od čvrstog i lakog ali skupog materijala (npr. karbonskih vlakana), ili od jeftinijih ali težih materijala. Dok prvi pristup može učiniti cenu izrade neprihvatljivom, drugi smanjuje radnu efikasnost, jer povećanje mase rotora usporava prilagođavanje njegovog položaja promeni smera vetra, pri čemu su najnepovoljniji oni koji menjaju pravac i duvaju u kratkim naletima.

Cena aktivnog prilagođenja i zaštite (zakretanje krila oko sopstvene ose i/ili obaranje rotora u horizontalnu ravan) opravdana je samo kod ovih vetroturbina velike snage. Posebni nedostatci aksijalnih vetroturbina su: obustava eksploatacije pri vetrovima uglavnom iznad 15m/s, veliki prostor kojeg zaprema rotor, visoki toranj za njegovu montažu (srazmeran dužini krila) i mogućnost nanošenja opasnih (nekad smrtonosnih) telesnih povreda živim bićima u slučaju kontakta sa rotorom u zamahu. Ipak, visok koeficijent iskorišćenja snage vetra savremenih aksijalnih vetroturbina (vršno 50% i prosečno 45%), daje im prednost u primeni za projektovane snage u opsegu od nekoliko desetina kilovata do nekoliko megavata.




Radijalne vetroturbine:

Nasuprot aksijalnim one nemaju potrebu da poziciju rotora prilagodjavaju promeni smera vetra, ali im je koeficijent korisnog dejstva manji. Poznatiji tipovi ovih turbina su autora Sigrida Savoniusa (Finska) (Sl.3), Georges Darrieus-a (Francuska) (Sl.4), H-rotor (Sl.5) i Riviere-ova (Francuski patent nr. 2659391) (Sl.6).



Najveći koeficijent iskorišćenja snage vetra ima Darrieus-ova turbina (vršno 40% i prosečno 35%), koja može imati dva ili više tanka, blago upredena, trakasta krila oblika slova „C”. Nedostatci su joj što zbog uravnoteženog momenta ne može samostalno da startuje i zauzima veliki prostor kada je većih dimenzija, jer tada osovinu učvršćuju zatezna užad. Ovaj tip se jedini našao u komercijalnoj primeni (poslednja poznata od 4200KW sa dvokrilnim rotorom prečnika 100m iz Kvebeka u Kanadi više ne radi). H-rotor turbina sličnih je svojstava Darieus-ovoj, dok je Riviere-ova turbina, sa pločastim krilima koja se obrću oko sopstvene ose, uspešno prošla eksperimentalnu fazu na Estonskom univerzitetu za agrikulturu „Kreutzwaldi” iz Tartu-a.



Savoniusova turbina, čiji rotor sačinjavaju dve cilindrične površine, delimično preklopljene i sučeljene udubljenim delom, ima najmanji koeficijent iskorišćenja snage vetra (vršno 15%), ali ima prednost što ne zauzima veliki prostor i ne može povrediti živa bića pri neposrednom kontaktu sa rotorom u radnom zamahu. Dok su aksijalne vetroturbine blizu dostizanja tehničkog maksimuma svojih mogućnosti, poslednjih godina se uočava sve veće interesovanje stručnjaka za nedovoljno istražene mogućnosti njihovih radijalnih rođaka, pa se učestalo prijavljuju i patentiraju njihove nove varijante