Vertikaalse teljega tuuleturbiin

Vertikaalse teljega tuuleturbiin on selline tuule jõul töötava töörattaga (rootoriga) turbiin, mille pöörlemistelg (võll) asub maapinna suhtes vertikaalselt. Kõrvuti horisontaalse teljega tuuleturbiinidega on see üks kahest tänapäevasest peamisest tuuleturbiinide tüübist.

Vertikaalse teljega pööratud labadega Savoniuse tuuleturbiin

6,5 kW vertikaalse teljega spiraalsete tiivakestega Darrieuse tuuleturbiin Inglismaal

Vertikaalse teljega turbiini eeliseks horisontaalse teljega tuuleturbiinide ees on see, et selle pöörlemine ei sõltu tuule suunast.

Vertikaalse teljega tuuleturbiinide võimsus jääb üldjuhul horisontaalse teljega tuuleturbiinide omast väiksemaks. Selle peamiseks põhjuseks on väiksem pöörderaadius ning madal kõrgus maapinnast. Kõige rohkem kasutatakse vertikaalse teljega tuuleturbiine kodumajapidamistes ja linnamaastikul, sest nad ei ole nii ruuminõudvad kui horisontaalse teljega tuuleturbiinid.

Väga üldistatult on tänapäeval kasutusel kahte tüüpi vertikaalse teljega tuuleturbiine:

• Savoniuse tuuleturbiin
• Darrieuse tuuleturbiin

Suurimaks probleemiks esialgse disainiga vertikaalse teljega tuuleturbiinidel oli pulseeriv pöördemoment, mis võis tekkida igal pöördel, ning labade paindumine suurtel kiirustel.

Tänapäevaks on see probleem lahendatud spiraalse väändega labade kasutuselevõtmisega (sarnane Gorlovi veeturbiinidega). See võimaldab ühtlaselt jaotada labadele mõjuvat pinget ning muudab vertikaalse teljega tuuleturbiinid töökindlamaks ja võimsamaks.

Lihtsustatud aerodünaamika

Vektoriaalsed jõud ja kiirused, mis mõjuvad turbiini labadele

Kõikide tuuleturbiinide üheks oluliseks näitajaks on turbiini laba kiiruse koefitsient λ (ingliskeelne lühend – TSR – Tip Speed Ratio). See koefitsient kirjeldab turbiini laba liikumiskiiruse ja turbiini läbiva tuule kiiruse omavahelist suhet:

$\lambda ={\frac {\omega r}{v}}$,

kus ${v}$ – tuule kiirus, ${r}$ – rootori raadius, ${\omega }$ – labade nurkkiirus.

• λ on iga tuuleturbiini puhul erinev. Kui turbiini labad tiirlevad aeglasemalt, kui neid läbiv tuul, siis enamus tuulest liigub segamata läbi labade ilma labadele mõju avaldamata. Kui aga labade otsakiirus on suurem kui tuulekiirus, siis põrkab tuul põhimõtteliselt vastu seina ning ei avalda samuti mõju labadele. Seetõttu on oluline, et labade otsa kiiruse suhe oleks optimaalne kindlal tuule kiirusel.

• Turbiini labade liikumisel läbi õhu tekivad labade taha turbulentsed õhuvoolud. Kui järgmine laba jõuab eelmise laba tekitatud turbulentsi enne, kui tuul on taastunud laminaarse vooluga õhuvooluks, siis ei suuda see laba maksimaalse efektiivsusega energiat toota. Seetõttu on oluline, et labad tiirleksid sellise kiirusega, kus nende tekitatud turbulents ei mõjutaks teisi labasid. Mõlemal puhul on määravaks seoseks labade otsa kiiruse suhe λ. See peab olema optimaalne igal tuule kiirusel, et tuuleturbiin saaks töötada täisvõimsusel.

Teiseks oluliseks näitajaks tuuleturbiinide puhul on kasulik võimsus Ρ, mis näitab turbiini tootmisvõimsust kindlal tuule kiirusel:

$P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}$,

kus $C_{p}$ – võimsuse koefitsient, $\rho$ – õhu tihedus, $A$ – turbiini labade kaetud pind, $\nu$ – tuule kiirus.

Vertikaalse telje eelised ja puudused

Kolm levinumat tuuleturbiini töös: vertikaalse teljega Savonius, horisontaalse teljega tuuleturbiin torni otsas, vertikaalse teljega Darrieus (Giromill)

Eelised

• Tuulegeneraator saab töötada igasuunalise tuule korral manuaalselt labade suunda muutmata
• Tuuleturbiin töötab vaiksemalt, kui horisontaalse teljega turbiin
• Neil puudub tuule kiirust vähendav efekt, mis on omane horisontaalse teljega tuuleturbiinidele
• Minimaalne tuule kiirus turbiini töötamiseks on madal, mis võimaldab neid paigutada vaikse tuulega kohtadesse
• Madalamal asetsevad turbiinid ei ohusta mööduvaid linde
• Hoolduskulud on väiksed, sest hooldust vajavad osad asetsevad maapinnal

Puudused

• Madalal asetsevad turbiinid võimaldavad vähe energiat toota
• Ebaregulaarsete tuulepuhangute korral võib tuuleturbiin tihti seisma jääda
• Pika tööperioodi jooksul hakkavad labad painduma ning võivad murduda

On vägagi tõenäoline, et tulevikus uute ehitusmaterjalide ja -tehnika kasutusele võtmisega hakkab vertikaalse teljega tuuleturbiinide populaarsus kasvama. Vertikaalse teljega tuuleturbiinid ei ole eriti populaarsed väikese võimsuse ja kasina töökindluse tõttu.

Uute materjalide ja tootmistehnoloogiate kasutuselevõtt ning tuuleparkide innovaatiline projekteerimine peaksid lähitulevikus andma positiivse tõuke vertikaalse teljega tuuleturbiinide laiaks levikuks.

Darrieuse tuuleturbiin

Hiiglaslik Darrieuse tuuleturbiin Kanadas

Darrieuse tuuleturbiin on vertikaalse teljega tuuleturbiin. See koosneb mitmetest kõveratest või sirgetest labadest, mis on kinnitatud keskmise vertikaalse pöörleva võlli külge. Labade kõverus võimaldab neil pinge alla sattuda vaid suurtel pöörlemiskiirustel.

Originaalse turbiini disaini patenteeris 1931. aastal prantsuse lennundusinsener George Jean Marie Darrieus.

Tööpõhimõte

Töötava Darrieuse tuuleturbiini labad liiguvad läbi õhu ringikujulisel trajektooril. Labale mõjuv resultantne õhuvool moodustab laba ja temale mõjuva tuule vahele varieeruva positiivse kohtumisnurga (angle of attack). See tekitab turbiini labade liikumissuuna suhtes kaldus oleva vektoriaalse jõu, mille suurus oleneb kohtumisnurgast. See jõud mõjub turbiini võllile, mistõttu suureneb selle pöördemoment ja esialgne pöörlemiskiirus. Selline olukord tekib ka negatiivse kohtumisnurga puhul, sest kõik labad on sümmeetrilised ja mõjuv jõud on liikumissuuna suhtes sama nurga all.

Kõigi mõjuvate jõudude tõttu võib Darrieuse turbiini rootor pöörelda mitmeid kordi kiiremini, kui sellele mõjuv tuule liikumiskiirus. See üleliigne liikumiskiirus on võimalik elektrigeneraatori abil muundada energiaks.

Giromill tüüpi tuuleturbiin

Eelised

Darrieuse tuuleturbiini on võimalik võrdlemisi lihtsalt kombineerida Savoniuse tüüpi tuuleturbiiniga maksimeerides ühel ruutmeetril toodetud energia kogust.

Tuleviku perspektiivis on võimalik Darrieuse turbiini täiustada uudsete materjalidega, mis on töökindlamad ning ühtlasi kõrvaldavad olulised puudused labade lühikeses elueas.

Puudused

Mittetöötav Darrieuse turbiin ei suuda iseenesest pöörlema hakata, sest kõige väiksemagi pöördemomendi saavutamiseks peab rootor eelnevalt mingil kiirusel pöörlema.

Kohtumisnurga muutumise tõttu omavad labad suurimat pöördemomenti oma trajektoori kahes punktis. Sellest tulenevalt omab Darrieuse turbiin sinusoidset pulseerivat töötsüklit, mis raskendab oluliselt turbiini ehitust. Kindlatel kiirustel hakkab pulseerimise sagedus resoneeruma turbiini labade liikumise sagedusega, mis pikas perspektiivis põhjustab labade purunemist.

Enamus turbiini pöörleva osa massist asub turbiini keskosast kaugel. Seetõttu mõjuvad labadele tugevad tsentrifugaalsed (kesktõmbekiirendusest tulenevad) jõud, mis kisuvad labasid turbiinist lahti. Lahenduseks on laialdaselt kasutusele võetud labade kuju, mis sarnaneb keerutatava hüppenööriga. See võimaldab labal oma massi ise toestada, mistõttu puudub vajadus tugitalade järele.

Giromilli tüüpi tuuleturbiin

George Jean Marie Darrieuse patent hõlmas ka kõikvõimalikke labade paigutustüüpe ümber turbiini keskse võlli. Üks võimalik paigutus on nn. Giromill ehk H-kuju. Selle puhul on pikad painutatud labad asendatud kahe vertikaalse labaga, mis kinnituvad keskosa külge horisontaalsete tugitaladega. Antud tüüpi Darrieuse tuuleturbiinid on lihtsa ülesehitusega ja selle tõttu ka mitmel pool maailmas kasutusel.

Spiraalsete labadega Darrieuse tuuleturbiin Saksamaal

Tsükloturbiin

Tsükloturbiin on eelpool mainitud Giromill turbiini variatsioon. Antud turbiini puhul on igal vertikaalsel labal (üldiselt 2–4 laba) võimalik pöörelda ümber oma telje. See võimaldab turbiinil omada igal hetkel positiivset kohtumisnurka (angle of attack) tuulega. Sellise ehituse peamine eelis on püsiv pöördemoment igasuguse tuule suuna puhul. Lisaks on tsükloturbiin võimeline iseenesest pöörlema hakata.

Ainukeseks puuduseks tsükloturbiinide puhul on raske ja ülesehituselt keeruline pöörlemist koordineeriv mehhanism, mis võimaldab labadel ümber oma telje pöörelda.

Spiraalsed labad

Üks võimalikke Darrieuse turbiini labade variatsioone on 3 heeliksilaadselt paigutatud 60° nurga all olevat laba. Selline ehitus sarnaneb eespool mainitud Gorlovi veeturbiini labadega. Spiraalsete labade suurimaks eeliseks on turbiini labade pulseerimise ühtlustamine, vähendades nende purunemise võimalust ja pikendades labade eluiga. Mitmed suurimad vertikaalsete tuuleturbiinide tootjad on just eelpool kirjeldatud labad oma turbiini ehituses kasutusele võtnud.

Savoniuse tuuleturbiin

Savoniuse tuuleturbiin on vertikaalse teljega tuuleturbiin, mis koosneb mitmest üksteise külge kinnitatud seest õõnsast poolringist. Need kumerad poolringid on ühendatud keskse vertikaalse võlliga, mis hakkab tuule mõjul pöörlema. Lihtsalt kujutades sarnanevad omavahel ühendatud poolringid kumerate kühvlitega, mis mööduvat tuult püüavad. Pealt vaadates sarnaneb mehhanism S-tähega.

Tihti on mitu sellist poolringidest koosnevat seadeldist monteeritud maksimaalse võimsuse saavutamiseks üksteise peale. Savoniuse tuuleturbiini leiutas Soome päritolu insener Sigurd Johannes Savonius aastal 1922.

Tööpõhimõte

S-tähe kujuga Savoniuse turbiini skeem

Savoniuse tuuleturbiini tööpõhimõte

Tegemist on väga lihtsal põhimõttel töötava vertikaalse tuuleturbiiniga. Üldmõistes töötab Savoniuse turbiin tuule möödumisel tekkival jõul, mis mõjub turbiini väliskülgedele.

Oma S-tähe kuju tõttu on tuule tekitatav jõud kumeratele osadel väiksem kui nõgusatele. Sellest tulenevalt on tuulega kaasa pöörelda lihtsam, kui tuule suunale vastu pöörelda. Nende kahe mõjuva jõu vahe tõttu hakkabki turbiin pöörlema ümber oma telje.

Savoniuse turbiini maksimaalset võimsust saab kirjeldada võrrandiga

$P_{\mathrm {max} }=0,36\,\mathrm {kg\,m^{-3}} \cdot h\cdot r\cdot v^{3}$,

kus $h$ – turbiini kõrgus, $r$ – rootori raadius, $v$ – tuule kiirus.

Sarnaselt Davoniuse tuuleturbiiniga on ka Savoniuse puhul nurkkiirus, tuule kiirus, turbiini raadius ja turbiini laba kiiruse koefitsient omavahel vastavas seoses. Üldjuhul on Savoniuse tuuleturbiinide puhul λ ≈ 1

Mitu Savoniuse turbiini üksteise otsa monteerituna

Kombineeritud Savoniuse ja Darrieuse tuuleturbiin Taiwanis

$\omega ={\frac {\lambda \cdot v}{r}}$

või

$\lambda ={\frac {\omega r}{v}}$,

kus ${v}$ – tuule kiirus, ${r}$ – rootori raadius, ${\omega }$ – labade nurkkiirus, λ – laba kiiruse koefitsient.

Eelised ja puudused

Savoniuse tuuleturbiinil on mitmeid eeliseid:

• lihtne ehitus ja tööpõhimõte;
• väga hea töökindlus ning madalad hoolduskulud;
• isekäivituv rootor;
• mitu Savoniuse turbiini on võimalik üksteise otsa monteerida maksimaalse võimsuse saavutamiseks;
• püsiv võimsus iga tuule suuna puhul;
• võimalik kasutada koos teist tüüpi tuuleturbiinidega (nt spiraalsete labadega Darrieuse tuuleturbiiniga);
• lihtsasti rakendatav ka vees.

Savoniuse tuuleturbiini peamiseks puuduseks on väike võimsus ja võrdlemisi madal nurkkiirus, sest ainult tuule tõukejõul põhinev töötsükkel ei ole kuigi efektiivne võrreldes näiteks Darrieuse tüüpi tuuleturbiini tööpõhimõttega.

Kasutusalad

Oma mitmete eeliste tõttu teiste tuuleturbiinide ees, on Savoniuse tuuleturbiinil väga erinevaid rakendusi:

• Savoniuse tuuleturbiini kasutatakse laialdaselt anemomeetrina, sest see on vanematest mõõteriistadest täpsem ja töökindlam;
• vähese energiatarbimisega ja raskesti hooldatavad avamerepoid töötavad Savoniuse turbiini abil;
• Savoniuse turbiini kasutatakse vee pumpamisel ja muudel sellistel rakendustel, kus on tarvis suurt pöördemomenti, kuid madalat nurkkiirust;
• igapäevaselt näeme Savoniuse turbiine ühistranspordivahendite (busside, trammide ja trollide) katustel, kus seda kasutatakse õhu ventileerimiseks;
• paljud tänavatel olevad mitmest raamist koosnevad reklaampostid töötavad Savoniuse turbiini abil.