Turbiny wielopłatowe
Turbiny te teoretycznie potrafią posiadać bardzo wysoką sprawność. Związana jest ona jednak z koniecznością użycia bardzo cienkich łopatek w nieskończenie dużej ilości, co powoduje, że są efektywne i możliwe do realizacji tylko w małej skali. Za ich wynalazcę
uważa się Thomasa O. Chalka dla którego pierwowzorem takiego wirnika było koło rowerowe. Chalk zaczynał od dwóch tarcz piasty i uchwytu mocującego felgę, a następnie nakręcił na szprychy cienkie, puste w środku łopatki. Kiedy wszystkie części były na miejscu, płyty piasty zostały rozerwane, a szprychy naprężone. W jednej z konstrukcji obręcz koła została wykorzystana do napędu pasowego w celu zwiększenia prędkości generatora. Konstrukcje Chalka o mocy 1,5kW możemy zobaczyć na zdjęciu poniżej.
Fot.4 Turbina wilopłatowa Chalka
Średnica turbiny wyniosła 4,6m. Składała się z 48 łopatek, każda o długości 1,5m.
WindTronics, prywatna firma technologiczna, zbudowała podobną jednostkę, ale z mocniejszą obręczą, aby usunąć jedną z wad turbiny Chalka. Końcówki łopatek były przymocowane do obręczy, która miała magnesy trwałe, a na zewnętrznej nieruchomej obręczy był stojan generatora. Projekt ewoluował następnie w kierunku większej liczby łopatek o różnych kształtach połączonych z wewnętrzną obręczą i ostatecznie turbina uzyskała kształt jak na Fot.5 pod nazwą Honeywell WindTronics.
Fot.5 Turbina Honeywell WindTronics.
Dr Vladimir Kliatzkin opracował projekt WinFlex. Konstrukcja jest w pewnym stopniu oparta na kole rowerowym, ponieważ zewnętrzna część wirnika przypomina dętkę opony rowerowej. Syn Kliatzkina, Eliezer, był współzałożycielem i dyrektorem generalnym WinFlex w latach 2008–2016. W tym czasie opracowano koncepcję WinFlex i zbudowano trzy prototypy turbin o mocach: 10, 200 i 132 kW (fot.6). Ciśnienie w rurze (nadmuchiwane koło) było utrzymywane przez centralny system. Wielka zaletą rozwiązania było to, że turbina WinFlex była tańsza w budowie od innych konstrukcji, ponieważ elastyczna rura i łopatki wykonano z tkaniny kompozytowej znacznie lżejszej niż konwencjonalne wirniki turbin wiatrowych. W 2010 roku WinFlex otrzymał jedną z nagród w konkursie GE Ecoimagination Challenge, a w 2013 roku Winflex otrzymał grant energetyczny BIRD (Binational Industrial R&D Foundation, Israel) na wspólny program rozwoju turbiny WinFlex z GE. Film przedstawiający instalację i działanie
Fot.6 WinFlex, nadmuchiwany wirnik rurowy z łopatkami żaglowymi, 132 kW przy 10 m / s, D = 20 m, wysokość piasty = 24 m
Film z prezentacji tej turbiny w Izraelu można zobaczyć tutaj: https://youtu.be/W7XqvIsLjX4
Ciekawostką na filmie jest wpływ sił momentu obrotowego na rurę, gdy wiatr zmienia kierunek. Można zobaczyć odkształcenie pierścienia. Mówiąc bardziej technicznie, zmiana momentu pędu spowodowana zmianą kierunku wiatru powoduje powstanie sił prostopadłych do płaszczyzny obrotu. Inny film pokazuje turbinę złożoną podczas silnych wiatrów (https://www.youtube.com/watch?v=ofv5PsAWygk). Firma opracowała też zrenderowany film, który przedstawia wirnik złożony na pół wokół płaszczyzny pionowej przy bardzo silnych wiatrach (https://www.youtube.com/watch?v=MfEsXrdUEGA).
Warto w tym momencie powiedzieć, że nie wszystkie turbiny wielopłatowe posiadają zewnętrzną obręcz. Wiele konstrukcji opiera na zamocowanych w piaście łopatkach w ilości zwykle od 4-11. Dalsze dodawanie łopatek sprzyja wzrostowi wydajności, jednak podraża koszty.
Kolejną ciekawą postacią w rozwoju turbin wielołopatkowych był Terrence Mehrkam, który zaczął
projektować i budować prototypowe turbiny wiatrowe we wczesnych latach siedemdziesiątych. Pierwsza jego konstrukcją była dwułopatkowa jednostka o średnicy 7,6 m, a następnie jednostka o średnicy 13,8 m. W 1977 roku opracował cztero-łopatową jednostkę o mocy 12 kW, a następnie sześciołopatową o mocy 40 kW dla swojego wiejskiego gospodarstwa w Pensylwanii. Płaty zostały wykonane z ekstrudowanego aluminium, anodowanego lub powlekanego poliuretanem w celu ochrony przed warunkami atmosferycznymi. Udało mu sie sprzedać jednostkę o mocy 225 kW, która została zainstalowana w parku rozrywki Allentown w Pensylwanii. Później sprzedał około 10, 40 kW turbin
Fot. 7- po prawej . Turbina Mehrkama sześciołopatkowa o mocy 40kW, wysokość piasty 12m, średnica wirnika 12m
na kalifornijski rynek wiatrowy. Turbiny były sześciołopatkowe, o stałym skoku, jednak konstrukcja hamulca nie była wystarczająca, aby zatrzymać turbiny w sytuacjach nadmiernej prędkości. Mehrkam zginął w 1981 roku na farmie wiatrowej w hrabstwie San Diego, podczas próby zatrzymania wirnika przy silnym wietrze, czego dokonał już dwukrotnie. Kalifornijski Departament Bezpieczeństwa i Higieny Pracy stwierdził, że Mehrkam wspiął się na szczyt wieży bez użycia jakiejkolwiek formy zabezpieczenia przed upadkiem i albo upadł, albo został zrzucony z wieży. Naruszył dwie najważniejsze zasady bezpieczeństwa podczas pracy przy turbinach wiatrowych: (1) nigdy nie wspinaj się na wieżę z wirnikiem w stanie nadmiernej prędkości (w rzeczywistości jedź daleko pod wiatr i czekaj, aż maszyna się zawali lub wiatr ucichnie), oraz (2) nigdy nie wspinaj się samotnie na turbinę wiatrową.
Firma Missouri Wind and Solar oferuje turbiny wiatrowe z pięcioma, siedmioma, dziewięcioma i jedenastoma łopatami (fot. 8) i mocami znamionowymi od 0,5 do 2 kW, z wirnikami o średnicy 1,6 m. Należy zauważyć, że w przypadku dowolnej turbiny wiatrowej większa liczba łopatek oznacza ogólnie większą sprawność, co skutkuje niższymi możliwymi obrotami. Jednak wydajność (produkcja energii) nie jest na ogół poprawiona na tyle, aby pokryć dodatkowy koszt większej liczby płatów.
Fot.8 Missouri Wind and Solar z 11 łopatkami, Freedom II o mocy 2kW średnica wirnika 1,5m.
W kraju siłownie wielopłatowe produkowane są między innymi przez firmę KOMEL. Poniżej zestawienie turbin wiatrowych wielopłatowych.
Tabela Zestawienie parametrów pracy turbin wielopłatowych typu T.
Fot. Turbiny wielopłatowe, po lewej firmy KOMEL 12 płatowa, po prawej turbina WE 1000.
