Bezłopatkowa turbina wiatrowa

Kilka tygodni temu pisaliśmy o rodzajach turbin wiatrowych, wyróżnialiśmy najbardziej powszechne turbiny z trzema łopatami oraz te mniej popularne – dwu- i jednołopatowe. Wspominaliśmy także o ich nietypowych kształtach, od świderkowych po wygięte w literę S. Wszystkie te turbiny są dość efektywnym narzędziem generującym darmową energię elektryczną, jednak posiadają nieliczne wady podczas użytkowania. Najczęściej wymieniany jest nieustanny szum, który uprzykrza życie okolicznych mieszkańców, przeszkadza im także cykliczne rzucanie cienia na szyby okien, przez ogromne łopaty wirnika. Na szczęście, naprzeciw wymienianym wadom wychodzi turbina Vortex zaprojektowana przez hiszpańskich inżynierów z firmy Vortex Bladeless.

Hiszpański zespól inżynierów wpadł na pomysł konstrukcji turbiny bezłopatkowej przy okazji analizy katastrofy budowlanej mostu w Tacoma w Stanach Zjednoczonych z 1940 roku. Wówczas zawiodła niewystarczająca stateczność aerodynamiczna, a także związane z nią zjawisko rezonansu. Imponujące falowanie całej konstrukcji doprowadziło w niedługim czasie do załamania się mostu. Hiszpański inżynier, który przypadkowo natrafił na film obrazujący katastrofę, postanowił wykorzystać zaobserwowany wpływ parcia wiatru na konstrukcję w turbinie wiatrowej. Już od 2002 roku zastanawiał się nad zupełnie innym niż dotychczas stosowane sposobem generowania energii wiatrowej w turbinach. W 2010 roku wraz z dwoma kolegami utworzył firmę Vortex Bladeless, a obecnie współpracują oni z Uniwersytetem Harvarda i firmami IDEO, TerraForm Power oraz Dat Venture nad projektem w Bostonie.

Aby uzmysłowić sobie wygląd turbiny Vortex wystarczy wyobrazić sobie standardową turbinę o poziomej osi obrotu i usunąć łopaty. Wygląda jak wielki słup, bez żadnych wystających elementów.  Dzięki temu zabiegowi podczas produkcji Vortex potrzebuje mniej materiału, a przez to również zmniejszają się koszty i negatywny wpływ na środowisko. Co więcej, tworząc farmę wiatrowa z wykorzystaniem tej właśnie technologii będziemy potrzebowali znacznie mniej miejsca. Twórcy pomysłu stwierdzili, że skoro istnieją już domowe wentylatory bezłopatkowe, to można również spróbować zastosować podobną koncepcję do turbin generujących energię z wiatru. Celem było ograniczenie uciążliwego szumu wywoływanego tarciem powietrza o łopaty oraz jednoczesna ochrona ptaków i nietoperzy, które narażone są na śmiertelny kontakt z wirującymi łopatami.

Brak łopat to nie jedyna modyfikacja w porównaniu ze standardową turbiną trójpłatową. Na strukturę Vortex składa się bowiem jedynie pięć części. Są to: fundament, pręt podtrzymujący, alternator, system magnetyczny oraz maszt. Z uwagi na lekkość konstrukcji, a przez to również nisko położony środek ciężkości, fundament mógł zostać zredukowany. Pręt podtrzymujący odpowiada za elastyczność ruchu oraz zapewnia posadowienie. Jest wykonany z włókna węglowego. Rolą alternatora natomiast jest zamiana energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną. System magnetyczny stanowią dwa magnetyczne pierścienie wbudowane w podstawie masztu. To dzięki nim nawet przy małych prędkościach wiatru konstrukcja się wychyla. Maszt wykonano z włókien szklanych oraz włókna węglowego i dzięki odpowiedniej konstrukcji może wibrować poruszany wiatrem.

Maszt o wysokości 12 m, podczas sprzyjających warunków, jest w stanie przechwycić nawet 40 procent siły wiatru, który wieje z prędkością 41 km/h. Przeprowadzone testy udowodniły, że taka turbina produkuje o 30 procent mniej energii w porównaniu do standardowych urządzeń, jednak jest to rekompensowane mniejszymi rozmiarami konstrukcji, a to z kolei pozwala na zwiększenie ich ilości nawet o 50 proc. na obszarze jaki potrzebny jest do założenia farmy składającej się np. z turbin trójpłatowych.

Turbina Vortex do produkcji energii nie wykorzystuje ruchu obrotowego wirnika, ale korzysta z aerodynamicznego efektu zwanego wirowością, czyli takiego który powoduje tworzenie zawirowań powietrza wokół masztu, zmieniając go w energię kinetyczną. Najprościej mówiąc, konstrukcja turbiny po zetknięciu z wiatrem zaczyna oscylować i przechwytywać produkującą się wówczas energię. Nie potrzebuje zatem żadnych przełożeń, pasów napędów i tym podobnych elementów. Nie ma żadnych ruchomych części, co zdecydowanie pozytywnie wpływa na koszty eksploatacji takiej turbiny, zapewniając jednocześnie tańszą energię. Brak elementów ruchomych oraz skomplikowanych części mechanicznych znajdujących się w gondoli typowych turbin HAVT także wpływa na uproszczenie konstrukcji, a zatem i tańsza produkcję. Firma Vortex Bladeless ma nadzieję, że pierwsze turbiny będą gotowe już pod koniec tego roku. Mają mieć o wysokości 2,7 m oraz moc 100 W. Jak podają, większa wersja ma być ukończona dopiero w przyszłym roku.