Turbina tornado

Turbina typu tornado (ang. Tornado Type Wind Turbines – TTWT) to nowa generacja turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu (ang. vertical-axis wind turbine, VAWT) zamieniających energię wiatru na ruch obrotowy wirnika poprzez uformowanie strumienia powietrza w wir typu tornado.

Turbina typu tornado otoczona jest odpowiednio sprofilowaną obudową. Jej zadaniem jest nadanie cyrkulacji wchodzącemu prądowi powietrza i minimalizacja szkodliwych turbulencji zmniejszających wydajność konwersji energii wiatru w energię mechaniczną. Obudowa – w zależności od typu - może mieć przekrój ślimaka lub koła uformowanego przez ukośne ścianki. Wlot może być również poziomym dookolnym otworem. Drugim podstawowym elementem turbin typu tornado jest wirnik wymuszający pionowy prąd powietrza, który tworzy wir o niższym ciśnieniu w środku turbiny uciekający w górę. Turbiny typu tornado historycznie można podzielić na dwa typy:

• Turbina TWES (TWECS) (ang. Tornado Wind Energy (Conversion) System), gdzie wirnikiem było śmigło umieszczone poniżej podstawy. Prąd powietrza atakujący wieżę TWES z boku jest rozdzielany na dwa strumienie. Pierwszy strumień przy użyciu odpowiedniej podstawy jest zasysany dołem poprzez niskie ciśnienie do środka turbiny gdzie jest wypychany wirnikiem do góry. Drugi prąd powietrza wnikając do turbiny z boku poprzez strukturę obudowy łączy się z pierwszym strumieniem wznoszącym tworząc wir. Spiralny wir powietrza wydostający się górą po spotkaniu wyższego ciśnienia atmosferycznego nie ulega zniszczeniu (z powodu innego ciśnienia i temperatury) i zostaje łatwo wygięty przez wiatr boczny pozostając w pewnej odległości od wieży dzięki czemu nie zakłóca jej pracy.
• turbina VWG (ang. Vortex Wind Generator), gdzie wirnik zbudowany jest z cienkich, lekkich ścianek i ma kształt ściętej jednopowłokowej hiperboloidy zwężającej się ku górze. W turbinie VWG powietrze jest zasysane do wlotu dookolnego pośrodku wysokości wieży. Powietrze jest zasysane dalej od gruntu, zatem do wirnika wlatuje szybszy wiatr, bez turbulencji obecnych przy ziemi. W turbinie VWG wirnik ewakuujący powietrze z turbiny może być oddzielony od dolnego wirnika zasysającego powietrze i mieć inną prędkość obrotową.

Turbina TWES oparta na efekcie wiru została zaproponowana w ’’Journal of Fluids Engineering’’ w 1978 r. Szablon:Ref. W tym samym roku pod nr US4070131 została opatentowana zbliżona koncepcja przez Jamesa T. Yena z Grumman Aerospace Corp. .

Moc wyjściowa turbiny (w idealnym przypadku, bez szkodliwych wirów) jest proporcjonalna do produktu strumienia powietrza wchodzącego do wieży i spadku ciśnienia strumienia w obrębie turbiny. Strumień powietrza jest zaś liniowo proporcjonalny do prędkości wzdłuż pionowej osi wewnątrz turbiny. Ponieważ prędkość wewnętrznego pionowego prądu powietrza (wymuszonego wirnikiem, którego łopaty mają prędkość parę razy szybszą niż prędkość wiatru) jest parokrotnie większa niż nadchodzącego wiatru bocznego to moc wyjściowa osiągana z takiej turbiny powinna być większa niż ze zwykłej turbiny wiatrowej. Badania teoretyczne oraz w kanale powietrznym przeprowadzone w 1982-83 r. wykazały wydajność zaledwie 40% Szablon:Ref Szablon:Ref Szablon:Ref. Straty w konwersji energii spowodowane były istnieniem szkodliwych wirów. Turbiny TWES z racji małej wydajności straciły na znaczeniu.

Dopiero w 2004 r. został opatentowany pod numerem US2004240984 ’’’Vortex Wind Generator’’’ (VWG) wykonany przez zespół pod kierownictwem Gennady Kiknadze, który minimalizuje turbulencje wewnątrz i na zewnątrz wieży poprzez zoptymalizowanie kształtu wirnika i obudowy, tak aby zapobiegać powstawaniu wtórnych, szkodliwych wirów i jednocześnie tak, aby generować wtórne wiry polepszające wydajność konwersji. Wydajność generatora nie została dotąd zweryfikowana.

Turbiny VWG mogą pracować nawet tam gdzie prędkość wiatru jest rzędu 2-7 m/s. Patent WO2004083628 sugeruje ich zastosowanie również jako urządzeń wentylacyjnych do podziemnych infrastruktur, np. kopalni.

W wyniku możliwości osłonięcia obudową łopat wirnika ich eksploatacja wydaje się bardziej bezpieczna dla zwierząt i ludzi w porównaniu do tradycyjnych turbin z wielkimi odsłoniętymi łopatami.

US4309146 RU2242635 US6119987 US4076454

• patent turbiny TWES z 1978r
• patent turbiny TWES z 1984r
• patent turbiny VWG z 2004r
• patent turbiny VWG z 2004r

Przypisy

• Szablon:NoteSo R. M. C. "On Vortex Wind Power". Journal of Fluids Engineering, 1978, V. 100, p. 79-82
• Szablon:Note Ragwalla A. A., Hsu C. T. "Power Coefficient of Tornado-Type Wind Turbines". Journal Energy, 1983, V. 7, No. 66, p. 735-737;
• Szablon:NoteHsu . Ò., H. Ide. "Performance of Tornado-Type Wind Turbines with Radial Supply". Journal Energy, V. 7, No. 6, 1983, p.452-453).
• Szablon:Note Yen, J. T. Investigations of the tornado wind energy system