Pe lângă povestea turbinei eoliene cu axă orizontală (HAWT) de tip elice, de succes comercial în prezent, există și povestea mai puțin cunoscută a turbinei eoliene cu axă verticală (VAWT). Văzute cândva ca un concurent în stabilirea standardului de proiectare a turbinelor eoliene, VAWT-urile la scară utilitară au devenit o apariție din ce în ce mai neobișnuită. Cu toate acestea, prototipurile VAWT la scară utilitară mai apar din când în când, deoarece se încearcă stabilirea tehnologiei cu axă verticală pe o piață dominată în totalitate de mașini cu axă orizontală. Acesta este un studiu retrospectiv al proiectelor de VAWT la scară utilitară, cu turbine de 100 kW sau mai mult.
Există înregistrări ale turbinelor eoliene cu axă verticală încă din secolul al IX-lea în Persia sau chiar de pe înălțimile afgane din secolul al VII-lea î.Hr. Aceste VAWT-uri timpurii erau dispozitive simple bazate pe rezistența aerodinamică; o parte a turbinei era acoperită, iar vântul pur și simplu împingea palele de pe cealaltă parte. Mult mai eficientul VAWT bazat pe portanță aerodinamică a fost inventat
de Georges Darrieus în Franța încă din anii 1920, brevetând atât VAWT-ul cu palete curbate „bătător de ouă” (numit aici pur și simplu turbină Darrieus), cât și VAWT-ul cu palete drepte (numit aici rotor H). Deși Darrieus a construit el însuși o serie de modele la scară mică, atât cu palete curbe, cât și cu palete drepte, primele VAWT-uri producătoare de energie, bazate pe ridicarea aerodinamică, au fost construite de colegul francez Jean-Baptiste Morel, care, în anii 1950, a construit în sudul Franței o serie de turbine Darrieus cu palete drepte, cu puteri de până la 7 kW.
Cercetătorii de la Consiliul Național de Cercetare al Canadei (CNCR) au reinventat VAWT-ul la mijlocul anilor 1960, aparent fără a fi conștienți de încercările franceze anterioare, demult uitate.
Cercetarea canadiană a fost redescoperită în anii 1970 de către Sandia National Laboratories, care, pe lângă misiunea lor principală de a dezvolta arme nucleare, fuseseră însărcinați de către Departamentul de Energie al SUA cu investigarea resurselor energetice alternative.
Sandia a construit o turbină Darrieus de 60 kW lângă Albuquerque, NM, în 1976, care a devenit la acea vreme cea mai mare VAWT construită vreodată. Deși Sandia s-a aflat în centrul efortului nord-american de dezvoltare a VAWT în anii 1970 și 1980, aceasta a construit o singură VAWT la scară utilitară (prin care înțelegem aici ≥100 kW), o turbină Darrieus de 500 kW ridicată în 1988 în Bushland, TX. Această turbină experimentală a avut o viteză variabilă, un design fără montanți și a fost proiectată astfel încât majoritatea pieselor să poată fi modificate în scopuri de cercetare. Lipsa lonjeroanelor a fost, probabil, principalul factor care a permis atingerea unui coeficient de putere (raportul dintre puterea electrică de ieșire și energia eoliană de intrare) de 0,43, care, cel mai probabil, rămâne încă un record pentru VAWT-urile de dimensiuni utilitare.
Eforturile nord-americane Darrieus
Colaborând cu CNRC sau Sandia sau folosind tehnologie de la CNRC sau Sandia, mai multe corporații au început să încerce să comercializeze VAWT-uri de tip Darrieus în anii 1970/80.
În Canada, producătorul de aluminiu DAF Indal devenise principalul colaborator VAWT cu CNRC și, în 1977, a doborât recordul de mărime stabilit de Sandia cu un an înainte cu turbina Darrieus de 230 kW, care a fost instalată pe Insula Magdalen din Golful Saint Lawrence din Quebec, Canada. Această turbină este, de asemenea, renumită pentru faptul că a demonstrat că VAWT-urile pot fi, într-adevăr, autopornite. În 1978, tehnicienii au lăsat rotorul decuplat de la transmisia de antrenare peste noapte, dar vânturile puternice din timpul nopții au făcut ca rotorul să intre în supraviteză, ceea ce a dus la o defecțiune a cablului de ancorare și, în cele din urmă, la prăbușirea rotorului pe sol.
În 1983-84, DAF-Indal a construit trei turbine de 500 kW, care, în principiu, erau versiuni mai performante ale turbinei de 230 kW. Una dintre turbine, care a fost amplasată în trecătoarea San Gorgonio de lângă Palm Springs, California, s-a prăbușit în timpul unui test de tensionare a cablului de ancorare înainte de punerea în funcțiune, luându-i din păcate viața unui inginer care se afla deasupra când a căzut. O altă turbină, situată în Insula Prince Edward, a căzut la pământ, de asemenea, în urma unei defecțiuni a lamei în 1985. În cele din urmă, DAF- Indal și-a întrerupt programul VAWT în 1991.
La sfârșitul anilor 1970, compania de aluminiu ALCOA, cu sediul în Pittsburgh, PA, a început să dezvolte VAWT-uri în cadrul unui acord de transfer de tehnologie cu Sandia. ALCOA a construit o serie de turbine Darrieus de mari dimensiuni, inclusiv trei mașini de 500 kW, care în 1980 au devenit cele mai mari VAWT construite până atunci. Una dintre turbinele de 500 kW, amplasată în trecătoarea San Gorgonio,
CA, s-a prăbușit chiar înainte de Conferința Comisiei pentru Energie din California din 1981, desfășurată în zona adiacentă Palm Springs. O pană de curent a făcut ca rotorul să aibă o viteză excesivă, iar paletele să se desprindă de la dispozitivul de fixare inferior și să taie cablurile de ancorare, înainte de a zbura la o distanță de aproximativ 300 m, iar turbina să cadă la pământ. În mod firesc, demonstrația planificată a trebuit să fie anulată, dar, în mod îndrăzneț, în timpul conferinței a fost difuzată o înregistrare video a incidentului, care a fost ovaționată în picioare de către public. În cele din urmă, ALCOA și-a anulat programul VAWT, deși unele părți ale acestuia au fost vândute companiei nou înființate VAWTPOWER Inc, care a instalat 40 de turbine în pasul San Gorgonio între 1983 și 1984. Această instalație, prima fermă VAWT reală, a fost operațională începând cu 1988.
Când vine vorba de ferme VAWT, FloWind ne vine în minte. FloWind a instalat peste 500 de turbine în Pasul Tehachapi de lângă Los Angeles și în Pasul Altamont din zona Golfului San Francisco. Modelele lor de 170 kW și 200 kW au fost instalate între 1983 și 1986, iar capacitatea totală instalată s-a ridicat la aproximativ 95 MW. Până la intrarea în funcțiune a ultimelor turbine FloWind, în 2004, acestea au generat în total aproape 1 TWh de energie electrică în timpul vieții lor. Până în 2010, toate turbinele FloWind fuseseră îndepărtate, deși rămășițele pot fi găsite sub forma unei bariere rutiere la un pasaj pe creasta unui deal din Pasul Tehachapi.
În 1986, o turbină FloWind-19 a avut o defecțiune catastrofală care a aruncat o lamă într-o remorcă de măsurare adiacentă, distrugând computerul DOE/ Sandia din interior. Acesta a fost începutul sfârșitului, deoarece acest lucru a speriat investitorii, iar FloWind a intrat în faliment.
În comun cu ceilalți dezvoltatori de turbine Darrieus menționați mai sus, FloWind a folosit palete din aluminiu, care au fost proiectate să se îndoaie. Din cauza capacității reduse a aluminiului de a rezista la solicitări ciclice, acest lucru a dus la defecțiuni induse de oboseală. Aceste probleme au făcut ca turbinele FloWind să înregistreze mai multe perioade de indisponibilitate decât turbinele eoliene cu axă orizontală care erau instalate în California în aceeași perioadă. După o reorganizare la începutul anilor 1990, au fost construite două prototipuri cu palete din fibră de sticlă, dar acest lucru s-a dovedit a fi prea puțin și prea târziu, iar una dintre turbinele cu palete din fibră de sticlă s-a prăbușit în timpul vânturilor puternice.
Un proiect de turbină Darrieus oarecum neobișnuit a fost folosit de compania canadiană Adecon, care a folosit un cadru exterior cu zăbrele pentru a înlocui cablurile de ancorare. În 1984, aceștia au construit o turbină de 17 m și 125 kW pe Insula Prince Edward. Turbina, al cărei rotor a fost plasat la 17 m deasupra solului, a funcționat doar câteva ore înainte de a depăși viteza și de a se autodistruge.
După o reorganizare, Adecon a instalat zece turbine de 150 kW lângă Pincher Creek, Alberta. Aceste turbine nu aveau cadrul de susținere a rotorului, dar au folosit totuși stâlpi cu zăbrele în loc de cabluri de ancorare. Stâlpii cu zăbrele au indus rezonanțe, ceea ce a dus la defecțiuni ale componentelor. Acestea au provocat răsturnarea a două dintre turbine și au făcut ca majoritatea celorlalte turbine să fie nefuncționale în cea mai mare parte a timpului. Până în 2006, toate cele zece turbine fuseseră îndepărtate.
Un exemplu care trebuie menționat este puternicul ÉOLE (din franceză pentru Aeolus, conducătorul vântului în mitologia greacă), care a fost finalizat în 1987 și este situat în Cap-Chat, pe malul sudic al râului Saint Lawrence, în Quebec. Cu o înălțime totală de 110 m, o masă rotativă de 880 de tone și o putere nominală de 3,8 MW, ÉOLE a doborât toate recordurile anterioare și este încă de departe cel mai mare VAWT construit vreodată.
Acest monstru cu palete de oțel și viteză variabilă a funcționat până în 1993, când s-a rupt rulmentul inferior. Este îmbucurător să raportăm că ÉOLE este încă în picioare și găzduiește vizite ghidate în timpul verii. O vizită este foarte recomandată: ÉOLE este o legendă pentru pasionații de energie eoliană, iar frumoasa Peninsulă Gaspé este un loc minunat în general. În mod convenabil, este posibil ca turul ghidat să fie efectuat în limba engleză și, dacă plătiți câțiva dolari în plus, puteți fi dus pe platforma superioară a ÉOLE, de unde priveliștea este spectaculoasă.
Au existat și alte turbine Darrieus la scară utilitară, chiar și unele construite în Europa în anii 1980. Dar încercările serioase au devenit din ce în ce mai rare. Problemele legate de oboseala paletelor, necesitatea de a avea un teren plat pentru a permite fixarea cablurilor de ancorare și dezavantajele de a avea rotorul atât de aproape de sol au fost toate motive pentru care „bătătorul de ouă” Darrieus nu a reușit să se impună ca un concurent al HAWT-urilor.
Între timp, în Europa
Parțial suprapuse cu dezvoltările Darrieus din America de Nord, VAWT-urile au fost, de asemenea, cercetate în Europa, dar aici accentul a fost pus mai ales pe conceptul de rotor H, care are unele avantaje în comparație cu turbina Darrieus convențională. Cel mai important este că, de obicei, aceasta este amplasată pe un turn independent, ceea ce face ca rotorul să fie mai înalt și face inutile cablurile de ancorare.
Cel mai cunoscut și poate cel mai ambițios proiect european VAWT a fost cel realizat de compania britanică VAWT Ltd în anii 1980/90, care a luat naștere în urma cercetărilor conduse de Peter Musgrove de la Universitatea Reading din Regatul Unit.
La început, conceptul VAWT Ltd a prezentat o geometrie variabilă, care a permis ca paletele să fie pliate pentru a regla puterea. Dar, după ce a fost evaluată o turbină de 130 kW, cu geometrie variabilă, montată în 1986 în Golful Carmarthen din Țara Galilor, s-a considerat că puterea putea fi la fel de bine controlată cu palete fixe, drepte. Astfel, prototipul ulterior de 500 kW, construit în 1990, avea palete drepte. Această turbină s-a confruntat cu mai multe defecțiuni legate de transmiterea puterii și, în cele din urmă, cu o defecțiune devastatoare a uneia dintre paletele din fibră de sticlă. La scurt timp după aceea, finanțarea guvernamentală a fost oprită, iar proiectul s-a încheiat în cele din urmă.
În anii 1990, inventatorul și antreprenorul german Götz Heidelberg a început să dezvolte un concept de rotor H cu turație variabilă, cu magneți PM, la compania Heidelberg Motor GmbH din München. În 1991, primul lor prototip la scară mare (300 kW) a fost instalat la Kaiser-Wilhelm-Koog, pe coasta germană a Mării Nordului. Acesta folosea un generator montat la sol și era susținut de cabluri de susținere conectate la un rulment superior care permitea rotirea întregului turn (la fel ca o turbină Darrieus). După ce s-a renunțat la generatorul de la sol, au fost dezvoltate cinci noi prototipuri de 300 kW, care aveau generatorul inelar multipolar mare plasat în vârful unui turn tripod. După ce o problemă de sudură a dus la autodistrugerea unei turbine la începutul anului 1995, celelalte mașini au fost scoase din funcțiune și au fost în cele din urmă demontate, în 1997. Acest lucru a dus, de asemenea, la abandonarea unei versiuni de 1,2 MW a conceptului, finanțată de UE, ceea ce a însemnat, de asemenea, sfârșitul acestui proiect VAWT.
Merită menționat faptul că Heidelberg a instalat versiunea sa mai mică, de 20 kW, pentru medii extreme, la o instalație de cercetare germană din Antarctica, care ar fi funcționat timp de 15 ani înainte de a fi dezafectată în 2008.
Eforturi continue
Dacă nici măcar ingineria germană nu a putut face ca VAWT-urile să reziste, s-ar fi putut ghici că acest concept trebuie cu siguranță să fi fost abandonat după mijlocul anilor 1990. Ei bine, nu a fost așa, deși a trebuit să treacă până în 2010 înainte ca următorul prototip de rotor H la scară utilitară să fie construit, de data aceasta de către compania suedeză Vertical Wind AB.
În 2010, aceștia au ridicat un prototip de 200 kW, cu acționare directă și viteză variabilă, în apropiere de Falkenberg, pe coasta de vest a Suediei. Turbina, care dispunea de un turn din lemn laminat și de un generator PM multipolar cu acționare directă, fabricat intern, a fost folosită în principal pentru măsurători, dar este încă operațională, deși la o viteză limitată a vântului. Vertical Wind și-a întrerupt dezvoltarea după ce a pierdut un investitor cheie în 2010, dar continuă să fabrice generatoare.
La fel cum programele DAF Indal și ALCOA VAWT din anii 1970/80 au fost inițiative ale producătorilor de aluminiu, compania poloneză VAWT Anew Institute, care este activă în prezent, este o filială a producătorului de oțel Stalprodukt SA. Anew a ridicat un prototip de 200 kW în 2015 și, cel mai important, un prototip de 1,5 MW în 2017, care este al doilea după ÉOLE, cel mai mare VAWT din toate timpurile, în ceea ce privește capacitatea instalată. Nu este surprinzător faptul că în construcție se folosește cât mai mult oțel posibil, dar, din fericire, cel puțin paletele sunt din fibră de sticlă.
Ce se întâmplă cu VAWT-urile plutitoare?
Turbinele eoliene plutitoare au fost (de exemplu, de către asociația comercială WindEurope) identificate ca fiind o tehnologie generatoare cheie pentru o expansiune majoră a energiei eoliene offshore. Centrul de masă scăzut al VAWT se combină bine cu o platformă plutitoare, iar acest lucru a provocat o renaștere a interesului pentru acest concept, o serie de proiecte VAWT plutitoare fiind inițiate în cursul anilor 2010.
De exemplu, MODEC, o companie japoneză specializată în platforme plutitoare pentru industria petrolieră și a gazelor, a dezvoltat un sistem hibrid de generare a energiei eoliene și a curentului de maree plutitor numit skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). Conceptul a constat într-un rotor H la suprafață și o turbină Savonius care captează curenții dedesubt. Cu toate acestea, prototipul lor de 500 kW s-a scufundat de două ori în timp ce era pus în funcțiune în 2013/14, iar MODEC și-a abandonat ambițiile VAWT.
O altă încercare de a comercializa VAWT-uri plutitoare a fost făcută de compania franceză NENUPHAR, care a urmărit să dezvolte o platformă offshore plutitoare cu două turbine de mai mulți MW.
Nicio VAWT plutitoare de mari dimensiuni nu a fost pusă în funcțiune vreodată, dar NENUPHAR a instalat un prototip de 600 kW pe uscat în Fos-sur-Mer, pe coasta franceză a Mediteranei, în 2014, pentru care au fost testate diferite configurații de palete. Cu toate acestea, în 2018, NENUPHAR a intrat în lichidare după ce a fost abandonată de un partener industrial.
Pot fi menționate câteva alte eforturi de dezvoltare a VAWT plutitoare care aspiră să desfășoare în curând prototipuri mari. Dar această scurtă retrospectivă se limitează la proiectele care, indiferent de rezultatul final, au inclus construcția efectivă de turbine cu axă verticală la scară utilitară. Așadar, aceste proiecte „pe hârtie” sunt omise aici, dar ar putea face obiectul unui raport viitor.
Nica plutitoare reînvie interesul
În rezumat, de la aproape dispărut, conceptul de turbină eoliană cu axă verticală s-a bucurat de un interes reînnoit în ultimii ani, în special pentru platformele offshore plutitoare. Concurența cu conceptul cu axă orizontală, care a devenit din ce în ce mai dezvoltat din punct de vedere tehnologic de când a devansat VAWT-urile ca standard al turbinelor eoliene în anii 1980, a devenit din ce în ce mai dificilă, însă nișa de piață plutitoare ar putea fi oportunitatea pe care turbinele eoliene cu axă verticală o așteptau.
Informații despre autor: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Suedia ()
Pentru mai multe detalii despre VAWT-urile menționate, precum și despre alte proiecte VAWT mai mici care nu sunt acoperite aici, următoarea lucrare este disponibilă cu acces liber: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, „A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).