Vertikalachsen-Windkraftanlage

Eine Vertikalachsen-Windkraftanlage ( VAWT ) ist eine Windkraftanlage, bei der die Hauptrotorwelle quer zum Wind angeordnet ist, während sich die Hauptkomponenten am Fuß der Anlage befinden. Diese Anordnung ermöglicht die bodennahe Platzierung von Generator und Getriebe, was Wartung und Reparatur erleichtert. VAWTs müssen nicht in den Wind ausgerichtet werden ^{[ 2 ] [ 3 ]} , wodurch Windsensoren und Ausrichtungsmechanismen entfallen. Zu den Hauptnachteilen früherer Konstruktionen ( Savonius , Darrieus und Giromill ) zählten das signifikante Drehmomentwelligkeit während jeder Umdrehung und die hohen Biegemomente an den Rotorblättern. Spätere Konstruktionen reduzierten die Drehmomentwelligkeit durch spiralförmig geschwungene Rotorblätter ( Gorlov-Typ ) ^{[ 4 ]} . Savonius-Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWT) sind zwar nicht weit verbreitet, ihre Einfachheit und die im Vergleich zu kleinen Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT) bessere Leistung in gestörten Strömungsfeldern machen sie jedoch zu einer guten Alternative für dezentrale Energieerzeugungsanlagen im urbanen Raum ^{[ 5 ] .}

Eine Vertikalachsen-Windkraftanlage hat ihre Achse senkrecht zu den Windstromlinien und vertikal zum Boden. Ein allgemeinerer Begriff, der diese Bauform umfasst, ist „Querachsen-Windkraftanlage“ oder „Querstrom-Windkraftanlage“. Beispielsweise beinhaltet das ursprüngliche Darrieus-Patent, US-Patent 1835018, beide Varianten.

Vertikalachsenwindkraftanlagen vom Widerstandstyp, wie beispielsweise der Savonius-Rotor, arbeiten typischerweise mit niedrigeren Schnelllaufzahlen als Vertikalachsenwindkraftanlagen vom Auftriebstyp, wie beispielsweise Darrieus-Rotoren und Zykloturbinen .

Computermodellierungen legen nahe, dass Vertikalachsen-Windkraftanlagen in Windparks mehr als 15 % mehr Leistung pro Turbine erzeugen können als im Einzelbetrieb. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Einige, wie beispielsweise der Tragflügelgenerator, weisen nur geringe Turbulenzen nach der Turbine auf, wodurch sie dichter installiert werden können und somit die Landfläche effizienter genutzt wird. ^{[ 8 ]}

Die in einer Darrieus-Turbine wirkenden Kräfte und Geschwindigkeiten sind in Abbildung 1 dargestellt. Der resultierende Geschwindigkeitsvektor, , ist die Vektorsumme der ungestörten Anströmgeschwindigkeit, , und des Geschwindigkeitsvektors des vorrückenden Schaufelblatts, . ${\displaystyle {\vec {W}}}$${\displaystyle {\vec {U}}}$${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$

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

Die Anströmgeschwindigkeit variiert somit in jedem Zyklus. Die maximale Geschwindigkeit wird bei und die minimale bei erreicht , wobei die azimutale oder orbitale Schaufelposition ist. Der Anstellwinkel , , ist der Winkel zwischen der Anströmgeschwindigkeit W und der Schaufelsehne. Die resultierende Luftströmung erzeugt im Anströmbereich der Maschine einen veränderlichen, positiven Anstellwinkel an der Schaufel, der im Abströmbereich der Maschine sein Vorzeichen ändert. ${\displaystyle \theta =0{}^{\circ }}$${\displaystyle \theta =180{}^{\circ }}$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \alpha }$

Aus geometrischen Betrachtungen der Winkelgeschwindigkeit, wie sie in der beigefügten Abbildung dargestellt sind, ergibt sich Folgendes:

${\displaystyle V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )}$

Und:

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta )}$

Die Berechnung der Relativgeschwindigkeit als Resultierende der Tangential- und Normalkomponenten ergibt:

${\displaystyle W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}}$^{[ 9 ]}

Durch Kombination der obigen Gleichungen mit den Definitionen für das Schnelllaufverhältnis ergibt sich folgender Ausdruck für die resultierende Geschwindigkeit: ${\displaystyle \lambda =(\omega R)/U}$

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$^{[ 10 ]}

Der Anstellwinkel wird wie folgt berechnet:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)}$

Wenn man das Obige einsetzt, ergibt sich:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^{[ 11 ]}

Die resultierende aerodynamische Kraft wird entweder in Auftriebs- (L) und Widerstandskomponenten (D) oder in Normal- (N) und Tangentialkomponenten (T) zerlegt. Die Kräfte wirken am Viertelsehnenpunkt, und das Nickmoment wird zur Bestimmung der aerodynamischen Kräfte herangezogen. Die Begriffe Auftrieb und Widerstand bezeichnen die Kräfte quer (Auftrieb) bzw. längs (Widerstand) der anströmenden relativen Nettoströmung. Die Tangentialkraft wirkt entlang der Blattgeschwindigkeit und zieht das Blatt herum, während die Normalkraft radial gegen die Wellenlager drückt. Auftrieb und Widerstand sind hilfreich bei der Betrachtung aerodynamischer Kräfte um das Blatt herum, wie z. B. dynamischer Strömungsabriss und Grenzschichtbildung. Für die Betrachtung der Gesamtleistung, Ermüdungsbelastungen usw. ist hingegen ein Normal-Tangential-Koordinatensystem praktischer. Die Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte werden üblicherweise durch den dynamischen Druck der relativen Strömung normiert, während die Normal- und Tangentialbeiwerte üblicherweise durch den dynamischen Druck der ungestörten Anströmgeschwindigkeit normiert werden.

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

A = Schaufelfläche (nicht zu verwechseln mit der überstrichenen Fläche, die dem Produkt aus Schaufel-/Rotorhöhe und Rotordurchmesser entspricht), R = Turbinenradius

Die Leistungsmenge P, die von einer Windkraftanlage aufgenommen werden kann:

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

Hierbei ist der Leistungskoeffizient, die Luftdichte, die von der Turbine überstrichene Fläche und die Windgeschwindigkeit. ^{[ 12 ]}${\displaystyle C_{p}}$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle A}$${\displaystyle \nu }$

Es gibt zwei Haupttypen von Vertikalachsen-Windkraftanlagen: die Savonius-Windkraftanlage und die Darrieus-Windkraftanlage. Der Darrieus-Rotor existiert in verschiedenen Ausführungen, darunter spiralförmig, scheibenförmig und als H-Rotor mit geraden Rotorblättern. Diese Turbinen besitzen typischerweise drei schlanke Rotorblätter, die durch Auftriebskräfte angetrieben werden und dadurch hohe Drehzahlen erreichen. [1]

Für vertikale Windkraftanlagen existieren verschiedene einfache Bauformen, wie nachfolgend beschrieben. In der Praxis findet man jedoch eine Vielzahl von Variationen und Kombinationen, da Entwickler immer wieder ihre Kreativität bei der Gestaltung unterschiedlichster Formen vertikaler Windkraftanlagen unter Beweis stellen.

Die Savonius-Windkraftanlage (SWT) ist eine Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) mit Widerstandsnutzung. Ihr gängiges Design umfasst eine rotierende Welle mit zwei oder drei Schaufeln, die den einfallenden Wind einfangen. Aufgrund ihrer einfachen und robusten Bauweise sowie ihres relativ geringen Wirkungsgrades wird sie überall dort eingesetzt, wo Zuverlässigkeit wichtiger ist als Effizienz. Ein Grund für den geringen Wirkungsgrad einer Savonius-Windkraftanlage ist, dass nur etwa die Hälfte der Turbine ein positives Drehmoment erzeugt, während sich die andere Seite entgegen dem Wind dreht und somit ein negatives Drehmoment erzeugt. Eine Variante der SWT ist die Harmony-Windkraftanlage ^{[ 13 ]} mit spiralförmigen Rotorblättern und einem automatischen Einziehmechanismus für starke Winde.

Die Darrieus-Windkraftanlage ist eine Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) mit Auftriebsprinzip. Die ursprüngliche Konstruktion umfasste mehrere gekrümmte Tragflügel, deren Spitzen an einer rotierenden Welle befestigt waren. Es gibt jedoch auch Ausführungen mit geraden, vertikalen Tragflügeln, die als H-Rotor- oder Giromill-Darrieus-Windkraftanlagen bezeichnet werden. Darüber hinaus können die Rotorblätter der Darrieus-Windkraftanlage spiralförmig geformt sein, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren, indem das Drehmoment gleichmäßig über die Umdrehung verteilt wird.

Da es sich bei den Darrieus-Windkraftanlagen um Auftriebsanlagen handelt, können sie mehr Energie aus dem Wind gewinnen als Widerstandsanlagen , wie beispielsweise die Savonius-Windkraftanlage.

Drehflügel-Windkraftanlagen sind eine neue Kategorie von VAWTs (Vertical-Average Wind Turbines), die ein vertikal stehendes, nicht spiralförmiges Tragflügelprofil verwenden, um eine 360-Grad-Rotation um eine vertikale Welle zu erzeugen, die durch die Mitte des Tragflügels verläuft.

Der Tragflügelgenerator ist ein neuartiger Vertikalachsen-Windgenerator. Sein Rotor besteht aus mehreren spiralförmigen Blättern, die längs an einer zentralen Achse befestigt sind, ähnlich wie bei einer Savonius-Turbine. Dieser Rotor ist in einem Tragflügelprofil angeordnet, das mithilfe des Bernoulli-Prinzips die Windgeschwindigkeit erhöht, bevor die Energie gewonnen wird. Dadurch kann der Generator bei allen Windgeschwindigkeiten mehr Leistung erzeugen. Durch das Tragflügelprofil verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, was die verfügbare Leistung um das Achtfache steigert. ^{[ 14 ]}   Das Tragflügelprofil schützt die Blätter zudem vor dem Luftwiderstand, dem andere Vertikalachsen-Windgeneratoren auf der Luvseite ihrer Rotation ausgesetzt sind (siehe Abbildung). Dank dieser Widerstandsreduzierung kann die Nettoenergieerzeugung eines Tragflügelgenerators höher sein als die anderer, nicht ummantelter Konstruktionen.  

Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWTs) bieten gegenüber herkömmlichen Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWTs) eine Reihe von Vorteilen :

• Omnidirektionale VAWTs müssen dem Wind möglicherweise nicht nachgeführt werden. Das bedeutet, dass sie keinen komplexen Mechanismus und keine Motoren benötigen, um den Rotor zu schwenken und die Rotorblätter zu verstellen . ^{[ 15 ]}
• Getriebewechsel und -wartung sind einfacher und effizienter, da das Getriebe vom Boden aus zugänglich ist und der Bediener nicht in großer Höhe arbeiten muss. Motor- und Getriebeausfälle stellen generell erhebliche Herausforderungen für Betrieb und Wartung dar.
• Bei einigen Konstruktionen können Schraubfundamente zum Einsatz kommen , wodurch der Straßentransport von Beton und die Umweltbelastung durch die Installation reduziert werden. Schraubfundamente sind am Ende ihrer Nutzungsdauer vollständig recycelbar.
• VAWTs können auf HAWT-Windparks unterhalb der bestehenden HAWTs installiert werden, um die Stromerzeugung zu ergänzen. ^{[ 16 ]}
• VAWTs können unter Bedingungen betrieben werden, die für HAWTs ungeeignet sind. Beispielsweise wird der Savonius-Rotor , der auch bei unregelmäßigen, schwachen Winden am Boden arbeiten kann, häufig an abgelegenen oder unbewachten Standorten eingesetzt, obwohl er der ineffizienteste VAWT vom Widerstandstyp ist.
• Geringeres Geräuschniveau im Vergleich zu HAWTs ^{[ 17 ]}
• Verringerte Gefährdung für Vögel ^{[ 18 ]}

Bei einigen VAWT-Typen tritt aufgrund der schnellen Änderung des Anstellwinkels ein dynamischer Strömungsabriss der Rotorblätter auf. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]}

Die Rotorblätter von Darrieus-VAWTs sind aufgrund der stark schwankenden Kräfte bei jeder Umdrehung anfällig für Materialermüdung. Die vertikal ausgerichteten Rotorblätter können sich bei jeder Umdrehung verdrehen und verbiegen, was ihre Lebensdauer verkürzt. Bei Tragflügel- und Savonius-Rotorblättern, die über ihre gesamte Länge gelagert sind, ist die Verbiegung der Rotorblätter weniger problematisch.

Abgesehen von den Widerstandswindkraftanlagen haben sich VAWTs als weniger zuverlässig erwiesen als HAWTs ^{[ 22 ]} , obwohl moderne Konstruktionen viele anfängliche Probleme behoben haben. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Eine Studie aus dem Jahr 2021 simulierte eine VAWT-Konfiguration, die es VAWTs ermöglichte, eine vergleichbare HAWT-Anlage um 15 % zu übertreffen. Eine 11.500-stündige Simulation demonstrierte die gesteigerte Effizienz, unter anderem durch die Verwendung einer Gitteranordnung. Ein Effekt besteht darin, die durch gitterförmig angeordnete HAWTs verursachten Turbulenzen stromabwärts zu vermeiden, welche die Effizienz mindern. Weitere Optimierungen umfassten den Anordnungswinkel, die Drehrichtung, den Turbinenabstand und die Anzahl der Rotoren. ^{[ 25 ]}

Im Jahr 2022 stellte das norwegische Unternehmen World Wide Wind schwimmende Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWTs) mit zwei gegenläufigen Rotorblattsätzen vor. Die beiden Rotorblattsätze sind auf konzentrischen Wellen befestigt. An jedem Satz ist eine Turbine angebracht. Eine Turbine ist am Rotor , die andere am Stator befestigt . Dadurch verdoppelt sich ihre relative Drehzahl im Vergleich zu einem statischen Stator. Das Unternehmen gab an, die Leistung im Vergleich zu den größten Horizontalachsenwindkraftanlagen (HAWTs) mehr als zu verdoppeln. HAWTs benötigen schwere Antriebsstränge, Getriebe, Generatoren und Rotorblätter an der Turmspitze, was wiederum schwere Unterwasser-Gegengewichte erforderlich macht. Bei VAWTs befinden sich die meisten schweren Komponenten am Fuß des Turms, wodurch der Bedarf an Gegengewichten reduziert wird. Die Rotorblätter überstreichen eine kegelförmige Fläche, was die Turbulenzen im Lee jedes Turms verringert und die maximale Turmdichte erhöht. Das Unternehmen plant den Bau einer 400 m hohen Anlage mit einer Leistung von 40 Megawatt. ^{[ 26 ]}

Im Jahr 2024 führte das NREL eine Studie zum Design des Tragflügelgenerators durch . Daraufhin wurde eine strategische Partnerschaft zwischen drei Unternehmen aus dem Mittleren Westen der USA geschlossen, um den ersten Prototyp eines Tragflügelgenerators in Originalgröße zu bauen. ^{[ 27 ]} Die Bauarbeiten werden bis 2026 andauern, die Inbetriebnahme ist für September 2027 geplant.

Die Windspire, eine kleine Vertikalachsen-Windkraftanlage für den individuellen Gebrauch (Haus oder Büro), wurde Anfang der 2000er Jahre von dem US-amerikanischen Unternehmen Mariah Power entwickelt. Das Unternehmen berichtete, dass bis Juni 2008 mehrere Einheiten in den USA installiert worden waren. ^{[ 28 ]}

Arborwind, ein Unternehmen mit Sitz in Ann Arbor, Michigan , produziert eine patentierte kleine VAWT, die bis 2013 an mehreren Standorten in den USA installiert wurde. ^{[ 29 ]}

Im Jahr 2011 begannen Windenergieforscher der Sandia National Laboratories eine fünfjährige Studie zur Anwendung der VAWT-Technologie (Vertical-Average Wind Turbine) auf Offshore-Windparks. ^{[ 30 ]} Die Forscher erklärten: „Die Wirtschaftlichkeit von Offshore-Windkraft unterscheidet sich aufgrund der Herausforderungen bei Installation und Betrieb von Onshore-Windkraftanlagen von der Wirtschaftlichkeit landbasierter Anlagen. VAWTs bieten drei große Vorteile, die die Kosten der Windenergie senken könnten: einen niedrigeren Schwerpunkt der Turbine, eine geringere Komplexität der Anlage und eine bessere Skalierbarkeit auf sehr große Anlagen. Ein niedrigerer Schwerpunkt bedeutet eine verbesserte Stabilität im Wasser und geringere Belastungen durch Materialermüdung. Darüber hinaus befindet sich der Antriebsstrang einer VAWT an oder nahe der Wasseroberfläche, was die Wartung potenziell vereinfacht und beschleunigt. Weniger Bauteile, geringere Belastungen durch Materialermüdung und eine einfachere Wartung führen insgesamt zu reduzierten Wartungskosten.“

Eine VAWT-Demonstrationsanlage mit 24 Einheiten wurde Anfang der 2010er Jahre in Südkalifornien von John Dabiri, Luftfahrtprofessor am Caltech , installiert . Sein Entwurf wurde in einen 2013 im alaskischen Dorf Igiugig errichteten Kraftwerkspark mit 10 Einheiten integriert. ^{[ 31 ]}

Dulas, Anglesey , erhielt im März 2014 die Genehmigung zur Installation eines Prototyps einer Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) am Wellenbrecher in Port Talbot. Die Turbine ist eine Neuentwicklung des walisischen Unternehmens C-FEC (Swansea) ^{[ 32 ]} und wird zwei Jahre lang getestet. ^{[ 33 ]} Diese VAWT verfügt über einen Windschutz, der den Wind von den sich drehenden Rotorblättern abhält, und benötigt daher – im Gegensatz zu den oben beschriebenen VAWTs vom Typ „Eierquirl“ – einen Windrichtungssensor und einen Positionierungsmechanismus. ^{[ 32 ]}

StrongWind, ein kanadisches Unternehmen, produziert eine patentierte urbane VAWT, die bis 2023 an mehreren Standorten in Kanada und international installiert wurde. ^{[ 34 ]}

Der Architekt Michael Reynolds (bekannt für seine Earthship -Hausentwürfe) entwickelte eine Vertikalachsenwindkraftanlage der 4. Generation namens Dynasphere . Sie verfügt über zwei 1,5-kW-Generatoren und kann bei sehr niedrigen Drehzahlen Strom erzeugen. ^{[ 35 ]}

• Unkonventionelle Windkraftanlagen
• Querstromlüfter

• Das Bild des Tages aus dem Keller zeigt eine VAWT (Vertical-Average Wind Technology), die quer zum Wind steht, deren Achse jedoch horizontal ist, weshalb die Maschine nicht als HAWT (Horizontal-Average Wind Technology) bezeichnet werden kann.