5 Nachteile von vertikalen Windkraftanlagen

Im Bild: Die Nahaufnahme von der LS Helix 3.0 Savonius vertikalen Windkraftanlagen.
Im Bild: Die Nahaufnahme von der LS Helix 3.0 Savonius vertikalen Windkraftanlagen.

Vertikale Windkraftanlagen können mit sieben entscheidenden Vorteilen überzeugen, wodurch sich die Anlagen als ideal für die Stromerzeugung im kleinen Maßstab und einen Einsatz in stürmischen, windreichen Regionen sowie städtischen Gebieten erweisen. Die Maschinen besitzen aber auch ein paar Nachteile. In jedem Fall erfreuen sich diese Art von Turbinen einer großen Beliebtheit und viele Ingenieure auf der ganzen Welt versuchen, sich diesen Herausforderungen anzunehmen.

Hier bei LuvSide sind wir in den letzten fünf Jahren Forschung und Entwicklung ebenfalls auf bestimmte Probleme und Möglichkeiten zur Optimierung von vertikalen Windkraftanlagen gestoßen. Durch kreative Lösungen und praktikable Umsetzungen konnten wir unsere Produkte nachhaltig verbessern.


Die Herausforderungen, die sich aus den Nachteilen von vertikalen Windkraftanlagen ergeben


1. Aerodynamische Widerstände

Im Schnitt sind vertikale Windkraftanlagen hinsichtlich der Energieumwandlung weniger effizient als vergleichbare Modelle mit einer horizontalen Ausrichtung. Dies zeigt sich primär durch die Art und Weise bedingt, wie sich der Rotor dreht.

Aufgrund des Designs der Turbine kann der Wind nicht alle Flügelsegmente eines vertikalen Rotors zur selben Zeit erreichen. De facto erhalten nur diejenigen Elemente des Flügels Antrieb, die dem Wind zugewandt sind, während der Rest zum Mitläufer wird. Befindet sich der Rotor einer vertikalen Windkraftanlage dauerhaft im Einsatz, muss er im Regelfall mehr aerodynamischen Widerstand bzw. den starken Zug des Windes bewältigen.

Das gilt vor allem für die Turbinen im Savonius-Stil, deren Flügel eine breitere Fläche besitzen.


2. Niedrigere Windgeschwindigkeiten gegeben

Da vertikale Windkraftanlagen in Bodennähe installiert werden, können die Turbinen nicht die höheren Windgeschwindigkeiten abgreifen, die in den Luftschichten weiter oben herrschen. Als Nachteil einer vertikalen Windkraftanlage bedeutet das konkret, dass im Endeffekt schlicht weniger Windenergie zur Verfügung steht. Oft wird dieses Problem jedoch einfach damit umgangen, dass die Anlage auf dem Dach eines Gebäudes montiert wird.

Um diesem Nachteil schon in der Konzeptionsphase einer vertikalen Windkraftanlage zu begegnen, haben unsere Ingenieure das Design des Rotors so verbessert, dass dieser auch auf einem Mast operieren kann. Rotor und Mast zusammen bringen die Turbine auf eine Gesamthöhe von 10 Metern, wobei der Generator und die Leistungselektronik auf 4 Metern noch leicht zu erreichen sind.

Im Vergleich zu horizontalen Windkraftanlagen arbeiten vertikale Windkraftanlagen mit einer niedrigeren Windgeschwindigkeiten.
Im Vergleich zu horizontalen Windkraftanlagen arbeiten vertikale Windkraftanlagen mit einer niedrigeren Windgeschwindigkeiten. Wind Turbine Icons created by Lluisa Iborra from the Noun Project.


3. Verschleiß der Komponenten

Vertikale Windkraftanlagen, die direkt auf dem Boden oder in urbanen Gegenden installiert wurden, sehen sich vielfältigen Störeinflüssen und Vibrationen ausgesetzt. Nicht nur müssen die Flügel unter Berücksichtigung dieser Kräfte konstruiert werden, auch muss das Lager zwischen Rotor und Mast dem größeren Druck standhalten. Bei älteren Modellen vertikaler Windkraftanlagen kam es so eventuell zur Verformung oder sogar zum Bruch der Flügel. Dementsprechend mussten die Geräte häufiger gewartet werden, was zu einem Anstieg der Kosten führte.

Bei allen Turbinen von LuvSide werden aus diesem Grund in der Konzeptions- sowie Produktionsphase spezielle Berechnungen angestellt, die den Verschleiß in besonderem Maße berücksichtigen. Schon heute sind unsere vertikalen Windkraftanlagen stark genug für Windgeschwindigkeiten, wie sie in einem durchschnittlichen tropischen Wirbelsturm herrschen.


4. Geringerer Wirkungsgrad

Wie erwähnt sind vertikale Windkraftanlagen hinsichtlich der Energieumwandlung tendenziell weniger effizient als vergleichbare Modelle mit einer horizontalen Ausrichtung. Dieser Schwachpunkt liegt hauptsächlich in der Konstruktionsweise sowie den Funktionsmerkmalen der Turbine begründet.

Die durchschnittliche Energieeffizienz einer horizontalen Windkraftanlage liegt zwischen 40 und 50 % – damit wandelt die Turbine also etwas weniger als Hälfte der erhaltenen kinetischen Energie in Elektrizität um. Demgegenüber wird bei einer Windkraftanlage im Savonius-Stil eine mittlere Leistungsfähigkeit von 10 bis 17 % gemessen, wohingegen eine Turbine nach der Darrieus-Bauweise Werte zwischen 30 und 40 % erreicht.

Trotzdem erzeugt eine Savonius-Windturbine in der richtigen Umgebung immer noch genügend Strom, um den Jahresverbrauch eines durchschnittlichen Zwei-Personen-Haushalts zu decken.


5. Notwendiger Anlaufhilfe

Während sich der Rotor einer horizontalen Windkraftanlage oder einer Turbine im Savonius-Stil automatisch anfängt zu drehen, sobald ausreichend Wind weht, sind Darrieus-Windturbinen in der Regel auf einen Startmechanismus angewiesen. Der Grund hierfür liegt im Design der Flügel, die den Wind nicht immer so aufnehmen, dass ein angemessenes Drehmoment erreicht werden kann. An der Beseitigung dieses Nachteils von vertikalen Windkraftanlagen arbeitet das Expertenteam von LuvSide derzeit intensiv.


Die Potenziale alternativer Energieformen nutzen

Trotz der Nachteile, die eine vertikale Windkraftanlage aufweist, erkennen wir die damit verbundenen Vorteile und sehen eine große Zukunft für diese Art der erneuerbaren Energien. Vertikale Windturbinen bergen großes Potenzial, in den nächsten Jahren über ihr Nischendasein hinauszuwachsen und eine echte Alternative zu horizontalen Anlagen zu bieten, um deren Schwächen auszugleichen.

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