Turbina Magnusa vs. klasyczna turbina. Dlaczego obracające się walce przegrywają z trzema łopatami?

• Turbina Magnusa generuje znacznie większą siłę nośną przy niskich prędkościach wiatru, co pozwala na start produkcji energii już przy wietrze rzędu 1-2 m/s. Dla porównania, klasyczne wiatraki trzypłatowe potrzebują stabilnego podmuchu na poziomie około 3-4 m/s, aby w ogóle zacząć pracować.
• Konstrukcje oparte na efekcie Magnusa wykazują dużą odporność na huraganowe wiatry i tajfuny, bez problemu wytrzymują podmuchy dochodzące do 70 m/s. W takich warunkach tradycyjne turbiny poziome muszą zostać zatrzymane i obrócone tyłem do wiatru ,aby zapobiec nadmiernemu zużyciu materiału i uszkodzeniu mechanizmów. 
• Dodatkowa energia potrzebna do wprawienia walców w ruch obrotowy znacząco zmniejsza sprawność całego układu. Z tego powodu rozwiązanie to okazuje się mniej opłacalne niż tradycyjne turbiny z trzema łopatami, które nadal pozostają najbardziej efektywnym wyborem przy zastosowaniach na dużą skalę.

Czy tradycyjne, trzypłatowe wiatraki, które na stałe wpisały się w krajobraz farm wiatrowych, doczekają się rewolucyjnego następcy? Choć branża OZE zdominowana jest przez klasyczną aerodynamikę, inżynierowie od lat szukają alternatyw zdolnych pracować tam, gdzie standardowe turbiny zawodzą. Jednym z najbardziej intrygujących, a zarazem niszowych rozwiązań jest turbina Magnusa. Zamiast tradycyjnych, profilowanych łopat wykorzystuje ona rotujące cylindry, które generują siłę nośną w zupełnie inny sposób. Mimo ogromnego potencjału w trudnych warunkach pogodowych, technologia ta wciąż pozostaje w cieniu klasycznych konstrukcji. Dostępne są zarówno turbiny o pionowej, jak i poziomej osi obrotu.

Jak działa efekt Magnusa w energetyce ?

Jak działa turbina Magnusa? Zasada jej działania różni się od tej stosowanej w klasycznych turbinach wiatrowych. Zamiast tradycyjnych łopat wykorzystuje ona obracające się walce lub cylindry zamontowane na wirniku. Gdy cylinder zostaje wprawiony w ruch obrotowy wokół własnej osi, zmienia się sposób przepływu powietrza wokół jego powierzchni. 

Po jednej stronie walca przepływ powietrza przyspiesza, a po drugiej zwalnia. Powoduje to powstanie różnicy ciśnień, a w efekcie siły działającej prostopadle do kierunku wiatru. Zjawisko to jest znane jako efekt Magnusa. Powstająca siła napędza wirnik i pozwala na produkcję energii elektrycznej. Zwolennicy tej technologii wskazują, że takie rozwiązanie może pracować stabilnie również przy zmiennych kierunkach i prędkościach wiatru. Jednocześnie wymaga ono dodatkowej energii do napędzania obracających się walców, co wpływa na końcową sprawność całego układu.

• Zobacz również: Jak testuje się małe turbiny wiatrowe? Zaglądamy do tunelu aerodynamicznego [VIDEO]

Trzy łopaty, czyli rynkowy standard bez konkurencji 

Klasyczna turbina trzypłatowa działa w oparciu o profil aerodynamiczny zbliżony do skrzydła lotniczego. Przepływający wiatr generuje siłę nośną bezpośrednio na łopacie, co od razu przekłada się na obrót wału generatora. Dlaczego akurat trzy płaty? To idealny kompromis aerodynamiczny i strukturalny. Dwie łopaty generowałyby zbyt duże drgania podczas obracania konstrukcji w stronę wiatru, natomiast cztery lub pięć drastycznie zwiększyłyby wagę oraz koszty produkcji, nie dając w zamian proporcjonalnego przyrostu energii. 

Trzypłatowce zawdzięczają swoją pozycję lidera fizyce czystego zysku. Ich sprawność zbliża się do teoretycznej granicy Betza, wynoszącej 59.3%. Oznacza to, że potrafią one wycisnąć z wiatru maksimum dostępnej energii kinetycznej, nie potrzebuje przy tym żadnego dodatkowego zasilania zewnętrznego do zainicjowania pracy aerodynamiki łopat.

Dlaczego walce nie wyparły tradycyjnych wiatraków? 

Skoro turbina Magnusa ma tak ogromną siłę startową i nie przeszkadzają jej trudne warunki atmosferyczne to, dlaczego nie widzimy ich na polach i farmach morskich? Odpowiedź kryje się w bilansie energetycznym oraz mechanice. Po pierwsze, aby efekt Magnusa w ogóle zadziałał, cylindry muszą bez przerwy wirować. To oznacza, że turbina zużywa część wyprodukowanej przez siebie energii lub energii z sieci na podtrzymanie pracy wewnętrznych silników napędzających walce. Sprawność netto takiego układu w optymalnych warunkach jest wyraźnie niższa niż w przypadku bezwładnych aerodynamicznie łopat trzypłatowych. 

Po drugie, dochodzi kwestia skomplikowania technicznego i masy. Wirujące cylindry na końcach ramion wirnika generują potężny moment żyroskopowy. Każda próba obrócenia gondoli w stronę zmieniającego się wiatru powoduje gigantyczne naprężenia konstrukcyjne. Ponadto łożyska i silniki napędzające walce są wystawione na ciągłe działanie czynników atmosferycznych, co drastycznie zwiększa koszty serwisu i skraca bezawaryjny czas eksploatacji.

Gdzie ukryła się nisza dla obracających się walców 

Mimo tych ograniczeń, technologia ta nie umarła. Japoński startup Challenergy z powodzeniem rozwija pionowe turbiny Magnusa, które są dedykowane dla regionów regularnie nawiedzanych przez niszczycielskie cyklony i tajfuny, takich jak Filipiny czy wyspy Japonii. Tam, gdzie tradycyjna wielka turbina trzypłatowa zostałaby zniszczona przez wiatr, kompaktowa turbina Magnusa pracuje w najlepsze, dostarczając prąd odciętym od świata społecznościom. To doskonały dowód na to, że w świecie OZE nie ma jednej idealnej technologii wygrywa ta, która najlepiej pasuje do lokalnych realiów.

Źródła: Challenergy, Npc electric, oraz własne
Zdjęcie główne: Challenergy