Warum ist der Wirkungsgrad von Vertikalachsen-Windkraftanlagen gering?
Die geringere Effizienz von Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWT) im Vergleich zu Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT) ist hauptsächlich auf verschiedene Faktoren zurückzuführen, darunter aerodynamische Eigenschaften, Konstruktion und Betriebsumgebung. Im Folgenden wird eine detaillierte Analyse vorgestellt:
1. Geringe aerodynamische Effizienz
Schlechtes Selbststartvermögen: Der Anstellwinkel der Rotorblätter der meisten Vertikalachsen-Windkraftanlagen (insbesondere vom Typ Dario) ändert sich während der Rotation ständig, was es schwierig macht, bei niedrigen Windgeschwindigkeiten ein ausreichendes Anlaufdrehmoment zu erzeugen und zusätzliche Vorrichtungen oder externe Kräfte zum Starten erforderlich macht.
Problem des dynamischen Strömungsabrisses: Wenn sich die Rotorblätter zur Luvseite drehen, ändert sich die Richtung des Luftstroms relativ zu den Rotorblättern drastisch, was leicht zu einem dynamischen Strömungsabriss und damit zu Energieverlusten führen kann.
Interferenzen zwischen den Schaufeln: Die Schaufeln eines Vertikalachsenventilators durchlaufen während der Rotation den nachgelagerten Nachlaufbereich und werden von den Turbulenzen des vorderen Schaufelblatts beeinflusst, was die aerodynamische Effizienz verringert.
2. Konstruktions- und Materialbeschränkungen
Konzentration von Ermüdungsspannungen: Die Tragkonstruktion (wie Kabel oder Säulen) und die Schaufelfüße von Vertikalachsenventilatoren sind zyklischen Wechsellasten ausgesetzt, die aufgrund von Ermüdung anfällig für Schäden sind und die großtechnische Konstruktion einschränken.
Herstellungskomplexität der Schaufelblätter: Der Herstellungsprozess von gekrümmten Schaufelblättern (wie z. B. vom Typ Daryl) ist komplexer, kostspieliger und schwieriger auf ein effizientes Tragflügelprofil anzuwenden als bei geraden Schaufelblättern mit horizontaler Achse.
3. Niedriger Windenergienutzungskoeffizient (Cp)
Theoretische Grenze niedrig: Der theoretisch maximale Windenergienutzungskoeffizient von Vertikalachsenventilatoren liegt bei etwa 0,4, während der von Horizontalachsenventilatoren 0,59 erreichen kann (Bates-Grenze).
Tatsächliche Effizienzlücke: Der tatsächliche Wirkungsgrad der Windenergieumwandlung von Vertikalachsenventilatoren liegt üblicherweise nur bei 10% - 30%, während moderne Horizontalachsenventilatoren 40% - 50% erreichen können.
4. Unzureichende Anpassungsfähigkeit an die Umwelt
Empfindlich gegenüber Änderungen der Windrichtung: Obwohl Vertikalachsenventilatoren theoretisch jede Windrichtung akzeptieren können, ist es schwierig, den optimalen Anstellwinkel der Rotorblätter in realen turbulenten oder sich häufig ändernden Windumgebungen aufrechtzuerhalten.
Geringer Windwiderstand: Große Vertikalachsenventilatoren neigen aufgrund von Strukturvibrationen bei starkem Wind zu Stabilitätsproblemen, und die Konstruktion des Bremssystems ist komplexer.
5. Anwendungsszenarien und technologische Reife
Skalenbegrenzung: Vertikalachsen-Windkraftanlagen werden hauptsächlich für die dezentrale Stromerzeugung im kleinen und mittleren Maßstab (z. B. in städtischen Gebieten) eingesetzt, aber großflächige kommerzielle Windkraftprojekte werden immer noch von Horizontalachsen-Windkraftanlagen dominiert, die seit Jahrzehnten optimiert sind und eine hohe technologische Reife aufweisen.
Geringere Investitionen in Forschung und Entwicklung: Aufgrund eines kleinen Marktanteils verläuft der technologische Fortschritt bei der aerodynamischen Optimierung, der Materialforschung und den Steuerungssystemen für Vertikalachsenventilatoren relativ langsam.
Vorteile und Anwendungsbereiche von Vertikalachsenventilatoren
Trotz ihres geringen Wirkungsgrades weisen Vertikalachsenventilatoren dennoch einige einzigartige Vorteile auf:
Kein Giersystem erforderlich: Kann Wind aus jeder Richtung einfangen.
Geräuscharm und sicher: Niedrige Geschwindigkeit, geringe Geräuschentwicklung und eine für Vögel relativ sichere Rotorblattbewegung.
Komfortable Wartung: Der Generator und andere Geräte können zur einfacheren Wartung auf dem Boden platziert werden.
Daher eignen sich Vertikalachsen-Windkraftanlagen eher für den Einsatz in städtischen Umgebungen mit starker Turbulenz und variablen Windrichtungen oder für kleine netzunabhängige Stromversorgungssysteme als für große Windparks.
Zusammenfassung
Der Hauptgrund für den geringen Wirkungsgrad von Vertikalachsen-Windkraftanlagen liegt in ihren prinzipbedingten aerodynamischen Eigenschaften, die ihre Fähigkeit zur Windenergiegewinnung einschränken. Hinzu kommen strukturelle Ermüdung und Skalierungsprobleme, die den Wettbewerb mit Horizontalachsen-Windkraftanlagen erschweren. Zukünftig wird mit der Entwicklung neuer Materialien und Strömungssteuerungstechnologien wie aktiven Klappen und Wirbelerzeugern eine Verbesserung des Wirkungsgrades von Vertikalachsen-Windkraftanlagen erwartet, dennoch dürften sie im Windenergiemarkt weiterhin eine ergänzende Rolle spielen.
