Arten von Windrädern HAWT, VAWT und mehr erklärt

Der überwiegende Teil der windturbinen um das Land gesehenen Windparks (sowohl onshore als auch offshore) sind Standard-3-Blatt-Designs. Es gibt jedoch eine Reihe unterschiedlicher Stilarten/Typen von Turbinen, und die Art und Weise, wie sie kinetische Energie aus dem Wind nutzt, ist ganz anders.

Die zwei Hauptarten von Windkraftanlagen sind Horizontalachsig und Vertikalachsig. Horizontalachsig Windkraftanlagen haben die rotierende Achse horizontal ausgerichtet. Sie verfügen in der Regel über 3 Flügel und sind so entworfen, dass sie dem Wind zugewandt sind. Vertikalachsig Windkraftanlagen haben die rotierende Achse vertikal ausgerichtet und sind so konzipiert, dass sie kinetische Energie in entgegengesetzter Richtung nutzt.

Neben Horizontalachsig und Vertikalachsig Windkraftanlagen gibt es weitere Varianten der Turbine, die es lohnt, weiter erforscht zu werden.

Der häufigste Typ von Windturbine ist die ‘Horizontal Axis Wind Turbine’. Sie wird als Horizontalachse bezeichnet, da sich die Rotationsachse horizontal befindet (siehe Diagramm unten).

Die Horizontalachse-Windturbinen müssen direkt in den Wind weisen, um mit maximaler Effizienz zu arbeiten, und der gesamte Gondelkopf ist so konstruiert, dass er sich drehen kann, um dem Wind zuzuwenden. Wenn sich die Windrichtung ändert, muss sich der Kopf (oder 'yaw') drehen, um weiterhin in den Wind zu zeigen.

Horizontalachse-Windturbinen werden für Offshore-Windparks und Onshore-Windparks in flachen und offenen Gebieten gewählt, da sie effizienter arbeiten als Vertikalachse-Turbinen in Bereichen, in denen der Wind nicht turbulent ist.

Gebaut für Größe

Obwohl es viele kleine horizontal ausgerichtete Windturbinen gibt, die kommerziell für energiebewusste Hausbesitzer erhältlich sind, ist einer ihrer großen Vorteile, dass sie sich gut skalieren lassen und SEHR GROSS gebaut werden können. Dies ist ein weiterer Grund, warum sie für Windparks verwendet werden. Es ist viel kosteneffektiver, einen 10-Megawatt-(MW)-Turbine zu bauen und zu betreiben als fünf 2-MW-Turbinen.

Die größte Windturbine der Welt (Stand Sommer 2021) ist die Vestas V236-Turbine, mit einer Nennleistung von 15 Megawatt (MW). Sie hat einen Rotorblantdurchmesser von 236 m – mehr als das Doppelte der Höhe der Freiheitsstatue! Eine einzige Umdrehung ihrer Blätter liefert genug Elektrizität, um einen durchschnittlichen Haushalt für einen Tag zu versorgen.

Vertikale Achsen-Windturbinen

Eine weniger effiziente und seltener vorkommende Turbine ist die 'Vertikal ausgerichtete Windturbine'. Sie wird als vertikal bezeichnet, da die rotierende Achse senkrecht nach oben ausgerichtet ist.

Es ist nicht möglich, vertikale Achsenturbinen in den großen Dimensionen zu bauen, wie wir sie bei horizontalen Achsenturbinen-Windparks sehen. Die größte jemals gebaute vertikale Achsenturbine war die 110 Meter hohe, 3,8 MW „ÉOLE“-Turbine in Quebec, Kanada. Das Rotorlager versagte jedoch 1993 unter dem von ihm zu tragenden Gewicht von 880 Tonnen. Seitdem ist sie nicht mehr betriebsfähig und dient nun als Kuriosität für Touristen. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass jemand versuchen wird, eine größere vertikale Achsenturbine zu bauen, da es aufgrund der damit verbundenen Ingenieurprobleme schwierig ist, solch große Gewichte auf einem einzelnen Lager direkt zu tragen.

Gebaut für Flexibilität

Obwohl sie kleiner sind, haben vertikale Achsenturbinen einen Hauptvorteil gegenüber horizontalen Achsenturbinen: Sie müssen nicht nachstellen. Sie erzeugen Windenergie aus allen Richtungen die ganze Zeit. Aufgrund der Bauweise der Flügel drehen sie sich immer in dieselbe Richtung, unabhängig von der Windrichtung.

Dadurch sind vertikale Achsen-Windturbinen besser in der Lage, Windenergie auf Dachflächen und in bebauten Gebieten einzufangen, wo wirbelnder Wind ständig die Richtung ändert.

Vertikale Achsen-Windturbinen nehmen weniger Platz ein als eine gleichwertige Horizontale-Achse-Turbine und werden oft für Bereiche gewählt, in denen Platz begrenzt ist.

Verschiedene Arten von VAWTs

Es gibt zwei Hauptdesigns von vertikalen Achsen-Windturbinen, die Savonius- und Darrieus-Typen. Diese Designs unterscheiden sich stark in der Art und Weise, wie sie Windenergie einfangen.

Savonius-VAWTs

Savonius-artige vertikale Windturbinen verwenden das Prinzip der Strömungswiderstand, um Windenergie in mechanische Drehenergie umzuwandeln. Sie funktionieren wie ein Schöpfeimer, der geformt ist, um den in die Turbine eintretenden Wind einzufangen und dadurch Widerstand zu erzeugen, was sie zur Rotation zwingt (siehe Diagramm unten). Unabhängig von der Windrichtung trifft er immer sowohl auf die Vorder- als auch auf die Rückseite des Schöpfers – aber die runde Rückseite des Schöpfers erzeugt weniger Widerstand, was es der Turbine ermöglicht, sich zu drehen. Allerdings bedeutet dies, dass eine Savonius-schichtige vertikale Windturbine maximal 15 % der Windenergie in mechanische Drehenergie umwandeln kann.

Darrieus-VAWTs

Darrieus-Schwingachsenwindturbinen nutzen das Prinzip der Auftriebskraft, um Windenergie in mechanische Drehenergie umzuwandeln und sind effizienter als Savonius-artige Schwingachsenwindturbinen. Darrieus-Schwingachsenwindturbinen verwenden Blätter mit einem Querschnitt, der wie das Flügelprofil eines Flugzeugs geformt ist. Während der Wind über das Blatt strömt, entsteht durch den Profil-Auftrieb eine Hebungskraft, und dies dreht die Turbine (siehe Diagramm unten).

Die Profilblätter einer Darrieus-Turbine können entweder geradlinig, gekrümmt oder schraubenförmig geformt sein (siehe Diagramm unten).

Das sind alles Darrieus-Turbinen – die Rotorblätter sind alle dieselben Auftriebsprofile, aber in unterschiedlichen Konfigurationen.

Die schraubenförmige Anordnung ist vielleicht die interessanteste, da sie es ermöglicht, ein längeres Profilblatt im gleichen Rotationsbereich wie eine gerade-Blatt-Turbine unterzubringen, wodurch mehr Wind erfasst und die Effizienz gesteigert wird.

Andere Turbinenentwürfe

Während die Mehrheit der Windturbinen zu diesen beiden Hauptkategorien (vertikale Achse und horizontale Achse) gehört, gab es verschiedene experimentelle Designs, die sich von der üblichen Konfiguration dieser beiden Designs entfernen.

Der Windbaum

Der ‘Windbaum’, gebaut von dem in Paris ansässigen Unternehmen New World Wind, basiert auf einer Savonius-Schwingungsturbine, ist jedoch neuartig, da er viele kleine Turbinen verwendet, die so angeordnet sind, dass sie wie Blätter auf einem Baum aussehen, um ein dekoratives städtisches Element zu schaffen.

Vortex Bladeless

Vortex Bladeless ist ein spanisches Unternehmen, das eine völlig andere Methode zur Gewinnung von kinetischer Energie aus dem Wind genutzt hat. Ihre „Turbine“ sieht überhaupt nicht wie eine konventionelle Turbine aus, da sie nicht rotiert.

Das Vortex Bladeless-System verwendet einen hohen, pfeilerförmigen Mast, der Energie aus dem Wind mittels einer Technik namens wirbelinduzierte Resonanz extrahiert. Während der Wind am Pfeiler vorbeiströmt, verursacht er Turbulenzen dahinter, die dazu führen, dass der Pfeiler oszilliert oder 'vibriert', und genau diese mechanische Energie treibt einen linearen Wechselstromerzeuger an, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird.

Da sie keine rotierenden Flügel haben, stellt dieser Typ von Windkraftanlage keine Gefahr für wandernde Vögel oder Wildtiere dar.

Fahrzeuggetriebene Turbinen

Einige Unternehmen haben begonnen, kleine vertikale Achs-Windturbinen zu entwickeln, die in der Mittelstreifen von Autobahnen und Freeways platziert werden können. Anstatt durch 'natürlichen' Wind angetrieben zu werden, ist es die Turbulenz, die durch den steten Strom von Fahrzeugen, die mit hoher Geschwindigkeit vorbeifahren, verursacht wird, die diese Turbinen dreht. Also, während es sich immer noch um konventionelle vertikale Achs-Windturbinen handelt, ist es die Situation, auf die sie angewendet werden, die neuartig ist.

Querachse-Windturbine (CAWT)

Die Querachse-Windturbine ist ein experimentelles vertikales Turbinen-Design, das sowohl horizontale als auch vertikale Turbinenschaufeln in einer neuartigen kreuzverlinkten Konfiguration verwendet. Mit drei vertikalen und sechs horizontalen Schaufeln kann sie Windenergie aus sowohl horizontalen als auch vertikalen Richtungen aufnehmen. Studien ergaben, dass sie 2,5-mal effizienter war als eine konventionelle vertikale Turbine bei denselben Windbedingungen.

Kühltürmkraftwerk-Auftriebs-Turbine

Dieses Design schlägt eine neuartige Konfiguration einer Darrieus-Schwingturbinen-Vertikalaxisturbine vor, die horizontal ausgerichtet ist und sich oben auf Kühl Türmen befindet. Der Auftrieb vom Abgasluftstrom des Turmes wird stattdessen genutzt, um die Turbine anzutreiben, anstatt in die Atmosphäre zu verloren zu gehen.