Turbina, obok generatora, jest najważniejszym  elementem elektrowni wiatrowej. Za jej pośrednictwem pozyskiwana jest energia mechaniczna ze strugi powietrza. Jej konstrukcja decyduje o właściwościach całej siłowni, jaką posiada ona moc i prędkość obrotową.

Od konstrukcji koła wiatrowego zależą gabaryty urządzenia. W oparciu o rozwiązanie tego problemu dobierane są kolejne elementy całego urządzenia, jak np. generator, przekładnia lub jej brak oraz wysokość masztu lub konstrukcji nośnej.

Efektywne śmigło

Wszystkie elektrownie wiatrowe pracują dzięki rotacji wirnika poruszanego siłą wiatru. Podstawowe różnice to położenie osi wirnika i budowa rotora. W większości wypadków występują elektrownie o poziomej osi obrotu (wielopłatowe i śmigłowe) składające się z wysokiej wieży, zakończonej przypominającym śmigło wirnikiem.

Wirnik posiada zwykle trzy łopaty, choć istnieją także konstrukcje, w których łopat jest mniej – dwie lub nawet jedna – bądź więcej, przykładem mogą być kilkunastołopatowe wiatraki amerykańskie, używane do napędzania pomp wodnych.

By osiągnąć maksymalną efektywność, turbiny o poziomej osi obrotu muszą być zwrócone dokładnie w kierunku wiatru. Umiejscowienie wirnika w stosunku do wiejącego wiatru może być jednak różne.

Najczęściej obecnie spotykaną  turbiną wiatrową jest turbina śmigłowa trójpłatowa o poziomej osi obrotu, wirniku ustawionym „na wiatr”, zamocowanym w gondoli. Całość umieszczona jest na wieży o wysokości do 100 m.

Wytrzymałe łopaty

Większość nowoczesnych łopat w turbinach zrobiona jest z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem lub żywicą epoksydową. Jako wzmocnienie używa się też włókien węglowych lub kevlaru, ale takie rozwiązanie jest bardzo kosztowne, szczególnie przy większych łopatach.

Dostępne są też rozwiązania polegające na wykorzystaniu drewna wzmocnionego żywicą epoksydową lub innymi tworzywami sztucznymi, ale jak dotąd nie zdobyły one większej popularności. W bardzo małych turbinach stosuje się też łopaty stalowe i aluminiowe. Są one jednak bardzo ciężkie i często się psują.

Mniej wydajne

Wśród turbin o pionowej osi obrotu najbardziej znane są turbina Darrieus’a, wynaleziona we Francji w latach 20. XX  wieku oraz fińska turbina Savonius’a, która widziana z góry kształtem przypomina literę „S”.

Turbina pionowa nie powinna być stosowana w rejonach o nie najlepszych warunkach wiatrowych, ponieważ nie może osiągać prędkości większej, niż prędkość wiejącego w danej chwili wiatru. M.in. osiągająca małe prędkości turbina Savonius’a nie nadaje się do produkcji energii elektrycznej, ale do pompowania wody już tak.

Cały czas trwają prace zmierzające do poprawienia efektywności turbin pionowych. Jednak gdy turbiny o poziomej osi obrotu  mogą osiągnąć maksymalną sprawność na poziomie 80 proc., tak te o pionowej osi tę sprawność mają na zdecydowanie niższym poziomie, sięgającym maksymalnie 40 proc.

HAWT czyli klasyka Turbiny HAWT (Horizontal Axis Wind Turbines) to najczęściej spotykane obecnie rozwiązanie konstrukcyjne, które jest powszechnie uznawane za klasyczne. Wirniki tych turbin są zwykle trójpłatowe.

W USA i Holandii można spotkać turbiny wiatrowe z dwoma łopatami. Technologia ta charakteryzuje się mniejszymi kosztami inwestycyjnymi i mniejszą masą wirnika. Jednak turbina o dwóch łopatach potrzebuje większej prędkości obrotowej, aby uzyskać moc wyjściową porównywalną z maszyną trójpłatową.

Jeszcze większych prędkości obrotowych potrzebują turbiny jednopłatowe stąd też są one spotykane bardzo rzadko. W porównaniu do trój- czy dwupłatowych turbin są rzadziej instalowane m.in. dlatego, że są od nich głośniejsze. Jedyną ich zaletą są niższe koszty inwestycyjne.

Turbiny HAWT może podzielić na te, których wirnik znajduje się przed masztem (up-wind) i te, gdzie wirnik znajduje się za masztem w stosunku do wiejącego wiatru (down-wind). Większość elektrowni wiatrowych posiada turbiny up-wind. Pozwalają one uniknąć negatywnego wpływu tzw. cienia aerodynamicznego wytwarzanego przez wieżę i gondolę.

Pomocny dyfuzor

Innym rodzajem turbin wiatrowych o poziomej osi obrotu są te wyposażone w dyfuzor. Zasada działania turbiny DAWT (Diffuser Augmented Wind Turbine) jest związana z prawem Bernoulliego, które dotyczy zachowania się gazu w rurze o różnych średnicach na wlocie i wylocie. Gaz po przejściu przez dyfuzor zwiększa swoja prędkość przepływu.

Jeżeli tradycyjny wirnik turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu umieści się w przewężeniu tunelu, to będzie on wirował szybciej w porównaniu z jego odpowiednikiem umieszczonym na zewnątrz dyfuzora.

Pierwsze turbiny tego typu powstały w latach 70. XX wieku. W takiej turbinie zwężający się wylot powoduje wzrost prędkości przepływu wiatru przed wirnikiem. Poprzez szczelinę w dyfuzorze, która znajduje się za wirnikiem, powstaje podciśnienie. Dzięki temu otrzymuje się dodatkowy przyrost prędkości przepływu powietrza przez wirnik.

Niczym trzepaczka

Najbardziej rozpoznawalną turbiną VAWT (Vertical Axis Wind Turbine, czyli o pionowej osi obrotu) jest ta przypominająca olbrzymią trzepaczkę do ubijania piany. To tzw. turbina z wirnikiem Darrieus’a. Nazwa jej pochodzi od francuskiego inżyniera, który opatentował ją w 1931 roku.

Współczesna turbina tego typu ma na pionowym wale zamocowane dwie lub trzy łopaty o stałej cięciwie i symetrycznym profilu. Łopaty wirnika są skręcone i wygięte w płaszczyźnie osi turbiny. W czasie pracy pozostają one głównie pod działaniem sił rozciągających. Skrzydła są zazwyczaj wykonane z duraluminium.

Obok zalet, takich jak to, że generator umieszczony jest na ziemi, co upraszcza jej obsługę, a cała konstrukcja nie potrzebuje zastosowania wieży i ustawiana wirnika na wiatr, ma i wady. Najważniejszą jest mała efektywność wytwarzania mocy z powodu małej prędkości wiatru nad ziemią. Kolejna to ta, że wirnik wymaga wstępnego rozpędzenia.

W kształcie „S” i „H”

Kolejna turbina o pionowej osi obrotu to turbina Savonius’a, która widziana z góry kształtem przypomina literę „S”. Jest ona najprostszym rozwiązaniem idei turbin typu VAWT. W celu zmniejszenia różnic w momencie startowym, w zależności od położenia wirnika względem kierunku wiatru, montuje się zespoły obrócone względem siebie o 90 stopni.

Z kolei wirnik turbiny H-Darrieus („gyromill”) jest w kształcie litery H. Posiada on trzy łopaty proste, które są równoległe do osi obrotu. Istotną cechą tej turbiny są samoprzestawialne i zawieszone na przegubach skrzydła. Dzięki temu mogą być one obracane wokół osi równoległej do osi turbiny.

Wirująca kula

Obok tych, niejako typowych, rodzajów turbin wiatrowych, występują także ich różnego rodzaju kombinacje. Związane jest to z ciągłym poszukiwaniem optymalnych możliwości wykorzystania wiatru do produkcji energii elektrycznej. Przykładem takich działań jest stworzona przez Szwedów Energy Ball.

Energy Ball to nowoczesna turbina wiatrowa. Nie tylko wygląda, ale też kręci się inaczej niż konwencjonalne wiatraki, tzn. wokół osi równoległej do osi ziemi. Urządzenie przede wszystkim wyróżnia kulisty kształt, który powstał z myślą o efektowniejszym, cichszym i bezpieczniejszym uzyskaniu energii elektrycznej.

Niewielkie rozmiary, sferyczny układ turbiny umożliwiły wzrost wydajności przy jednoczesnym obniżeniu poziomu hałasu. To z kolei czyni tę siłownię wiatrową idealną do domowego użytku, o małych potrzebach energetycznych. To urządzenie potrafi dostarczyć około 15 proc. energii potrzebnej w przeciętnym gospodarstwie domowym.

Jego zaletą jest też to, że sprawdza się również w warunkach słabego wiatru. Wykorzystuje bowiem tzw. efekt Venturiego. Energy Ball swe niezwykłe właściwości zawdzięcza tzw. zwężce. Pozwala ona wytworzyć podciśnienie, mając do dyspozycji jedynie ciśnienie. Podobnie, jak ma to miejsce w przypadku turbiny z dyfuzorem.

Dążenie do ideału

Niestety, do tej pory nikomu nie udało się skonstruować turbiny o pionowej osi obrotu, która przy podobnej wielkości i wadze byłaby konkurencyjną do tej z poziomą osią obrotu. Jednak wciąż trwają prace, które mają poprawić efektywność turbin pionowych. Nie należy się jednak spodziewać większych zmian, ponieważ nie da się obejść praw fizyki. Żadne bowiem urządzenia nie mogą osiągnąć sprawności przekraczającej 100 procent.

Wincenty Bryński