vertical wind turbines

Darrieus Windturbinen

Dieser Artikel setzt sich das Ziel, die grundlegenden Unterschiede zwischen Windkraftanlagen mit vertikaler Achse (Darrieus-Rotor) und Propellerturbinen zu erläutern. Ein weiteres Ziel ist es auch, über die besonderen Vorteile von Vertikalwindturbinen zu berichten.

Der auffälligste Unterschied zwischen vertikalen und horizontalen Turbinentypen ist, dass die Propellerturbine mit der Horizontalachse auf Grundlage von Aerodynamik der Rotation arbeitet (ähnlich wie die Hubschrauberrotoren funktionieren), während die vertikale Turbine die Aerodynamik der linearen Luftbewegung nutzt, wie die Flügel eines Flugzeuges. Durch die Rotation der Propeller entsteht eine dünne „luftdurchlässige Scheibe“, die Vertikalwindturbine schafft jedoch die Form eines Zylinders („Käfigläufer“), welche die Luft auch durchdringt.

Diese Systeme nutzen die aerodynamische Kraft des Windes unterschiedlich und sind für unterschiedliche Wirkungsgrade vorgesehen – häufig als Koeffizient von Umwandlung der Windenergie in mechanische oder elektrische Energie dargestellt. Darrieus-Rotoren – wie die ANew-S1 – können bis zu 70% Effizienz erreichen, in Bezug auf die Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie (nach mechanischen und elektrischen Konvertierungsverlusten). Die Propellerturbinen hingegen können nur eine Umwandlungseffizienz von 35-40% vorweisen, unter denselben Windverhältnissen.

Weitere häufig übersehene Faktoren des Turbinenbetriebs sind die Ausmaße (Durchmesser, Höhe, Wirkungsbereich, Flügelbereich), die Rotationsrichtung sowie die Fähigkeit der Turbinen mit Vertikalachsen, Energie zu gewinnen und zu speichern, ähnlich wie ein Schwungrad.

Da Darrieus-Rotoren – wie die ANew-S1 auch – während der Rotation einen Zylinder formen, sind sie fähig, die doppelte Energie aus demselben Luftstrom zu gewinnen. Das zeigt das Diagramm unten:

Darrieus Wind TurbinesDarrieus Wind Turbines

Wenn der Flügel in Position ist (Bild 1.) und die Luftströmung W1 den Flügel trifft, gibt ihm einen Teil ihrer Energie ab (ca. 60%), und verliert an Geschwindigkeit um ungefähr 27% (der Luftstrom wird durch den Flügel verlangsamt).

Wenn der Flügel sich weiter dreht (Bild 2.), hat der Luftstrom mit der ursprünglichen Geschwindigkeit W2 genug Raum und Zeit, seine Geschwindigkeit auf W3 zu erhöhen.

Wenn der Flügel sich in Position 3. befindet, hat der Luftstrom mit dem Flügel bereits eine andere Art Kontakt und gibt einen Teil seiner Energie ab (ca. 60% der Luftstromenergie W3), welches mit 45% der ursprünglichen Luftstromenergie (W1) equivalent ist. Auf dem Bild 4. verliert die Luftströmung wieder 27% an seiner Geschwindigkeit.

Wie Sie sehen, nimmt der Turbinenflügel auf Bild 4. aus demselben Luftstrom zweimal Energie auf. Der Luftstrom hat genügend Zeit, seine Geschwindigkeit (und Energie) im Raum zwischen Betreten und Verlassen des Turbinenzylinders teilweise wiederherzustellen. Für das erfolgreiche Funktionieren ist es wichtig, dass der Flügel auf die Position 3 gleichzeitig mit dem Luftstrom gelangt, der einen Teil seiner Energie zunächst dem Flügel abgab (Bild 1). Dies verlangt eine spezielle Lineargeschwindigkeit der Flügel bei jeder Windstärke.

Wenn die Turbine zwei oder mehr Flügel hat, findet die erste Energieübertragung des primären Luftstroms beim ersten Flügel statt und der zweite Transfer desselben Luftstroms am zweiten Flügel. In diesem Fall kann die Linergeschwindigkeit der Flügel wesentlich niedriger sein als die einer Turbine mit einem Flügel.

Des Weiteren kann der Darrieus-Rotor die Energie des Windes viel schneller zurückgewinnen als die traditionellen Propellerturbinen. Das heißt, die Geschwindigkeit (somit die Energie) des Windes wird auf der kürzeren Entfernung der Turbine wiederhergestellt. Dieses Thema wird im Artikel Rückgewinnung von Windgeschwindigkeit ausführlicher besprochen.