Welche ist effizienter, Vertikalachsen- oder Horizontalachsen-Windkraftanlagen?
Derzeit ist der Wirkungsgrad von gängigen dreiflügeligen Windkraftanlagen mit horizontaler Achse wesentlich höher als der von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse.
Diese Effizienzlücke ist grundlegend. Der wichtigste Indikator zur Messung der Effizienz ist der „Windenergienutzungskoeffizient“, der angibt, wie viel Energie eine Windkraftanlage aus dem Wind gewinnen kann. Moderne, großflächige Horizontalachsenventilatoren erreichen einen Wirkungsgrad von 45–50 %, was nahe am theoretischen Grenzwert (59,3 %, bekannt als Bez-Grenze) liegt. Im Gegensatz dazu ist der Wirkungsgrad von Vertikalachsenventilatoren deutlich geringer und liegt je nach Bauart typischerweise nur zwischen 15–40 %.
Warum ist der Wirkungsgrad von Ventilatoren mit horizontaler Achse so hoch?
Dies liegt hauptsächlich an seinem Funktionsprinzip:
Alle Rotorblätter schneiden gleichzeitig im optimalen Winkel in den Wind: Die Rotorblätter eines Horizontalachsenventilators sind so geformt, dass sie den Tragflächen eines Flugzeugs ähneln (aerodynamisches Tragflächenprofil). Der Wind erzeugt einen enormen Auftrieb, der die Rotorblätter antreibt. Da sich die Rotorblätter stets in dieselbe Richtung drehen, kann ein Großteil der Rotorfläche die Windenergie kontinuierlich und effizient nutzen.
Hohe Geschwindigkeit: Horizontalachsenventilatoren erreichen sehr hohe Drehzahlen, wodurch sie den Generator sehr effizient antreiben und so Strom erzeugen können.
Warum ist der Wirkungsgrad von Vertikalachsenventilatoren geringer?
Die Funktionsweise von Vertikalachsenventilatoren (hauptsächlich der Typ „Dario“, der einem Schneebesen ähnelt) ist anders:
Die Rotorblätter bewegen sich im Wind hin und her: Durch ihre Rotation ändert sich ständig ihr Winkel zur Windrichtung. Nur in bestimmten Winkeln können die Blätter die Windenergie effizient nutzen; in anderen Positionen (z. B. wenn sie sich wieder dem Wind zuwenden) erzeugen sie hingegen Widerstand. Diese Eigenschaft, quasi „mit sich selbst zu konkurrieren“, begrenzt ihre Effizienz grundlegend.
Schlechtes Anlaufverhalten: Viele Vertikalachsenventilatoren starten nicht von selbst und benötigen externe Unterstützung.
Obwohl ein erheblicher Effizienzunterschied besteht, haben Vertikalachsenventilatoren durchaus ihre Vorteile. Sie verfügen über eine Reihe einzigartiger Merkmale, die sie in bestimmten Anwendungsfällen unersetzlich machen.
Vor- und Nachteile von Ventilatoren mit horizontaler Achse:
Vorteile:
Kernvorteile: extrem hohe Effizienz und beste Wirtschaftlichkeit für die Stromerzeugung im großen Maßstab.
Nachteile:
Ausrichtung an der Windrichtung erforderlich: Ein komplexes „Giersystem“ muss installiert werden, um die Kabine ständig an die Windrichtung anzupassen, ähnlich wie bei einer Windrichtungsmarkierung.
Komplexe Konstruktion und hohe Wartungskosten: Schwere Generatoren und Getriebe sind an der Spitze von Türmen installiert, die Dutzende oder sogar Hunderte von Metern hoch sind, was Wartung und Reparatur sehr schwierig und teuer macht.
Laute Geräusche: Die schnell rotierende Klingenspitze erzeugt viele Geräusche.
Hohe Anforderungen an die Installationsumgebung: Es werden stabile und gleichmäßige Windverhältnisse benötigt, was in Städten mit turbulenten und stürmischen Winden möglicherweise nicht gut funktioniert.
Vor- und Nachteile von Vertikalachsenventilatoren:
Vorteile:
Kein Wind erforderlich: Wind aus jeder Richtung kann es in Rotation versetzen, wodurch ein Giersystem überflüssig wird.
Einfache Konstruktion und leichte Wartung: Die Hauptkomponenten wie Generator und Getriebe sind am Boden installiert, sodass das Wartungspersonal nicht hoch klettern muss, was zu geringen Wartungskosten führt.
Geräuscharm: Die Geschwindigkeit ist in der Regel geringer und der Betrieb leiser.
Anpassungsfähigkeit an komplexe Windverhältnisse: Es eignet sich hervorragend für städtische Umgebungen mit wechselnden Windrichtungen und Turbulenzen und kann auf Dächern installiert werden.
Niedrige Anlaufwindgeschwindigkeit: Einige Typen (wie z. B. der S-Typ) können bereits bei einer leichten Brise gestartet werden.
Nachteile:
Hauptnachteil: Geringe Effizienz.
Es besteht ein strukturelles Risiko: Bei einigen Konstruktionen kommt es bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten zu hohen Spannungen an der Wurzel der Schaufeln, was leicht zu Problemen führen kann.
Die endgültige Schlussfolgerung lautet also:
Wer einen großen Windpark errichten und die Stromerzeugung sowie den wirtschaftlichen Nutzen maximieren möchte, kommt an hocheffizienten Horizontalachsen-Windkraftanlagen nicht vorbei. Deshalb verfügen fast alle Windräder, die wir im Freien sehen, über eine horizontale Achse.
Wenn Sie jedoch einen „unempfindlichen, wartungsfreundlichen“ Generator für dezentrale Einsatzszenarien benötigen, wie z. B. die Stromversorgung von Straßenlaternen, Gebäuden, abgelegenen Basisstationen, insbesondere in Städten mit unbeständigen Windrichtungen, dann ist ein „weniger effizienter, aber robuster und langlebiger“ Vertikalachsenventilator möglicherweise die geeignetere Wahl.
Kurz gesagt, die horizontale Achse repräsentiert die „Top-Studenten“, die auf Leistung und Skalierung abzielen, während die vertikale Achse die „talentierten Studenten“ repräsentiert, die sich an spezifische Umgebungen anpassen. Hinsichtlich reiner Effizienz schneiden die Ventilatoren auf der horizontalen Achse besser ab.
