Vjetroagregati s okomitom osovinom su vrsta vjetroagregata kojima je os turbinskoga kola postavljena poprečno u odnosu na vjetar (ali ne nužno okomito), dok se glavne komponente nalaze na temeljima vjetroturbine. Ovakav raspored omogućava smještaj generatora i prijenosnika snage blizu tla čime je olakšano održavanje. Vjetroagregati s okomitom osovinom ne trebaju biti direktno okrenuti prema vjetru^[1] te zato ne postoji potreba za anemometrom i zakretnikom. Glavni nedostaci ranijih konstrukcija (Savonius, Darrieus i giromill) uključuju značajne varijacije zakretnog momenta i velike momente savijanja na lopaticama. Uvijanjem lopatica u kasnijim izvedbama riješen je problem zakretnog momenta.h

Opća aerodinamika

Rezultirajući vektor brzine, ${\displaystyle {\vec {W}}}$, je zbroj vektora neporemećene struje zraka, ${\displaystyle {\vec {U}}}$, i vektora brzine lopatice, ${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$.

${\displaystyle {\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)}$

Maksimalna brzina se postiže za ${\displaystyle \theta =0{}^{\circ }}$, a minimalna za ${\displaystyle \theta =180{}^{\circ }}$ , gdje je ${\displaystyle \theta }$ azimutalna ili orbitalna pozicija lopatica. Napadni kut, ${\displaystyle \alpha }$ , je kut između nadolazećih strujnica zraka, W, i tetive aeroprofila.

S geometrijskog gledišta, rezultirajuća brzina i napadni kut se računaju na sljedeći način:

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^[2]

Gdje je ${\displaystyle \lambda ={\frac {\omega R}{U}}}$ omjer vršnih brzina.

Komponente rezultirajuće aerodinamičke sile su uzgon (F_L) - otpor (D) ili normalna (N) - tangencijalna (T) komponenta. Aerodinamički pojmovi „uzgon“ i „otpor“ odonose se na sile duž (otpor) i okomito na (uzgon) na neporemećenu brzinu. Normalna komponenta sile djeluje radijalno, a tangencijalna u smjeru brzine lopatice, okrečući je. Uzgon i otpor su korisni kad se bavimo aerodinamičkim silama oko lopatice (npr. granični sloj), a ako se radi o npr. umoru materijala, prikladnije je raditi u okviru normalnih i tangencijalnih sila. Koeficijenti uzgona i otpora profila su normalizirani dinamičkim tlakom relativnog toka zraka, a normalni i tangencijalni koeficijenti dinamičkim tlakom neporemećenog strujanja zraka.

${\displaystyle C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}$

A = Površina R = Polumjer turbine

The amount of power, P, that can be absorbed by a wind turbine:

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

Gdje je ${\displaystyle C_{p}}$ koeficijent snage, ${\displaystyle \rho }$ gustoća zraka, ${\displaystyle A}$ površina, and ${\displaystyle \nu }$ brzina vjetra.^[3]

Prednosti vjetroagregata s okomitom osovinom

Vjetroagregati s okomitom osovinom nude mnoge prednosti u odnosu na tradicionalne vjetroagregate s horizontalnom osovinom:

• Jednako su učinkovite neovisno o smjeru puhanja vjetra i ne trebaju sustav za njegovo praćenje. To ih čini pouzdanijima zbog činjenice da ne zahtijevaju kompleksne mehanizme za okretanje vjetroturbine.
• Prijenosnik snage vjetroagregata s okomitom osovinom ima dosta manju dinamičku izdržljivost od prijenosnika snage vjetroagregata s horizontalnom osovinom. Ukoliko je potrebno, zamjena je jeftinija i jednostavnija jer je prijenosnik blizu tla što ga čini lako dostupnim. To znači da nema potrebe za dizalicom ili nekom drugom velikom opremom na samoj lokaciji, što smanjuje troškove i utjecaj na okoliš. Kvarovi motora i prijenosnika snage općenito povećavaju radne troškove i troškove održavanja vjetroagregata s horizontalnom osovinom i na kopnu i na moru.
• Tvrdnje o neučinkovitosti su opovrgnute činjenicom da su vjetroagregati s okomitom osovinom sposobni iskoristiti jak, mahovit vjetar za razliku od vjetroagregata s horizontalnom osovinom kod kojih snažan vjetar smanjuje dinamičku izdržljivost.
• Vjetroagregati s okomitom osovinom se mogu koristiti svrdlanim pilotima za duboko temeljenje, omogućujući veliko smanjenje troškova emisija ugljičnog dioksida kao i smanjenje cestovnog prijevoza betona tijekom instalacije. Na kraju svog životnog vijeka, mogu se u potpunosti reciklirati.
• Proizvodnja krila Darrieusove vjetroturbine je jednostavnija od proizvodnje lopatica vjetroagregata s horizontalnom osovinom, koji imaju puno kompleksniji oblik i strukturu.
• Vjetroagregati s okomitom osovinom se mogu gušće grupirati u vjetroparkove, povećavajući proizvedenu snagu po jedinici površine zemljišta.
• Vjetroagregati s okomitom osovinom mogu biti istalirani ispod postojećih vjetroagregata s horizontalnom osovinom, povećavajući učinkovitost (izlaznu snagu) već postojećeg vjetroparka.^[4]
• Istraživanje na Caltechu je pokazalo da pažljivo osmišljen vjetropark s vjetroagregatima s okomitom osovinom može imati deset puta veću izlaznu snagu od vjetroparka iste veličine, ali s vjetroagregatima s horizontalnom osovinom.^[5]

Nedostaci vjetroagregata s okomitom osovinom

Lopatice vjetroagregata s okomitom osovinom su bile sklone zamoru materijala zbog velikih razlika između sila koje se javljaju tijekom svake rotacije. Taj problem je riješen korištenjem modernih kompozitnih materijala, poboljšavanjem konstrukcijskih rješenja i upotrebom lopatica aerodinamičnog profila. Okomito postavljene lopatice korištene u prošlosti uvijale su se i savijale tijekom svakog okreta, što je rezultiralo lomom. S vremenom bi te lopatice pucale. Vjetroagregati s okomitom osovinom su se pokazali manje pouzdanima od vjetroagregata s horizontalnom osovinom.^[6] Današnjim modelima vjetroagregata s okomitom osovinom riješeni su mnogi problemi povezani s ranijim konstrukcijama.^[7] Međutim, ostalo je još posla. Jedan od glavnih izazova predstavlja dinamička izdržljivost lopatica pri brzom mijenjanju napadnoga kuta.^[8][9]

Primjene

Američka tvrtka Mariah Power je početkom 2000. razvila Windspire, mali vjetroagregat s okomitom osovinom namijenjen pojedinčanoj (dom ili ured) upotrebi. Tvrtka je objavila da je nekoliko jedinica instalirano diljem SAD-a do lipnja 2008.^[10]

Arborwind, kompanija sa sjedištem u Ann-Arboru (Michigan, SAD), prozvodi mali patentirani vjetroagregat s okomitom osovinom koji od 2013. postavljen na više lokacija diljem SAD-a.^[11]

U 2011. znanstvenici iz Sandia National Laboratories započeli su petogodišnje istraživanje o primjeni vjetroagregata s okomitom osovinom za priobalne vjetroelektrane.^[12] Istraživači su zaključili: „Ekonomika priobalnih vjetroelektrana je drugačija od kopnenih zbog izazova pri ugradnju i u funkcioniranju. Vjetroagregati s okomitom osovinom nude tri velike prednosti koje mogu smanjiti troškove energije vjetra: niže težište turbine, manja složenost stroja i bolja skalabilnost pri većim veličinama. Niže težište znači poboljšanje stabilnosti na vodi i manje opterećenje uslijed gravitacije. Osim toga, pogon vjetroagregata s okomitom osovinom je blizu površine što olakšava i ubrzava održavanje. Manje dijelova, manja opterećenja i jednostavnije održavanje, sve to vodi smanjenju troškova.“

Početkom 2010. John Dibri, profesor aeronautike s Caltecha, izradio je demonstracijski projekt s 24 vjetroagregatske jedinice s okomitom osovinom u južnoj Kaliforniji. Njegova je konstrukcija inkorporirana u vjetropark s 10 vjetroagregatskih jedinici koji je izgrađen 2013. u Igiugigu, selu na Aljasci.^[13]

Dulas (Anglesey) je u ožujku 2014.godine dobio dozvolu za instalaciju prototipa vjetroagregata s okomitom osovinom na lukobranu Port Talbota. Turbina ima nov dizajn, za koji je zaslužan C-FEC, tvrtka sa sjedištem u Walesu,^[14] te će isti biti na probnom roku od dvije godine.^[15]

Dynasphere je Michael Reynoldsova četvrta generacija vjetrenjača s okomitom osi. Te vjetrenjače imaju dva 1,5 kW generatora i mogu proizvesti struju na vrlo niskim brzinama.^[16]