Bewegliche Rotorblätter sollen Wirkungsgrad von vertikalen Windrädern verdreifachen
Ein Schweizer Forschungsteam arbeitet an vertikalen Windkraftanlagen, die den Wind besser ausnutzen, also einen höheren Wirkungsgrad haben.
Sébastien Le Fouest mit seiner motorisierten und mit Sensoren ausgestatteten Miniaturwindkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse.
Foto: Alain Herzog / EPFL
Vertikale Windkraftanlagen haben den großen Vorteil, dass sie weniger Platz benötigen und leiser sind als herkömmliche Windkraftanlagen. Verwirbelungen und Turbulenzen bremsen bisher die Effizienz solcher Anlagen. Ein Schweizer Forschungsteam der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) um Karen Mulleners will nun mit beweglichen Rotorblättern die Physik austricksen und dreimal effizientere vertikale Windturbinen bauen. Unterstützt wird das Team dabei vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF).
Vertikale Windkraftanlagen sollen Energiewende der Schweiz voranbringen
Die geringere Stromproduktion von Solaranlagen und Wasserkraftwerken in den Wintermonaten ist ein wesentliches Hindernis für die Umstellung auf erneuerbare Energien in der Schweiz. Die Windenergie, deren Ertrag sich in der kalten Jahreszeit verdoppeln kann, spielt daher eine potenziell wichtige Rolle bei der Energiewende. Die Herausforderung besteht jedoch darin, neue Standorte für Windkraftanlagen zu finden, da diese viel Fläche beanspruchen und Lärmbelästigungen verursachen können. Besonders problematisch ist dies in der Schweiz, wo dicht besiedelte Städte und schwer zugängliche oder geschützte Naturräume die Standortsuche erschweren.
Hier kommen Karen Mulleners und ihr Team ins Spiel. Die Forscherin von der EPFL interessiert sich für die Entwicklung von Windturbinen mit vertikaler Achse, so genannten Typ-H-Windturbinen. Diese Turbinen, deren Rotorblätter vertikal angeordnet sind und sich um eine zentrale Achse drehen, benötigen bei gleicher Rotorblattlänge nur ein Drittel der Fläche herkömmlicher Windturbinen. Außerdem sind sie deutlich leiser und durch ihre langsamere und berechenbarere Drehbewegung weniger gefährlich für Vögel. Ihre Bauweise macht sie ideal für die Erweiterung bestehender Windparks und für die Aufstellung in der Nähe von Siedlungsgebieten.
Dynamischer Strömungsabriss als Herausforderung
Die Entwicklung vertikaler Windturbinen war bisher mit einer physikalischen Herausforderung konfrontiert: dem so genannten dynamischen Strömungsabriss. Dieser tritt auf, wenn sich die Luftbewegung und -geschwindigkeit so ändert, dass die Luftströmung nicht mehr der Kontur eines Objekts folgt und sich hinter diesem Wirbel und Turbulenzen bilden.
Bei Windkraftanlagen tritt dieses Phänomen auf, sobald der Winkel zwischen Wind und Rotorblättern zu groß wird, was insbesondere bei vertikalachsigen Modellen ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit der Fall ist. In einer Studie, die in der Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht wurde, präsentiert das Team aus Lausanne eine Lösung für dieses Problem.
Bewegliche Rotorblätter sollen die Lösung sein
Karen Mulleners will das Problem des dynamischen Strömungsabrisses bei vertikalen Windturbinen mit verstellbaren Rotorblättern lösen. Das soll mit Motoren geschehen, die die Rotorblätter immer in der optimalen Position zum Wind halten. „Ein Schiff braucht eine Crew, die die Segel ausrichtet, um den Kurs zu halten. Stattet man die Rotorblätter von Windkraftanlagen mit kleinen Motoren aus, stellt man ihnen quasi einen Kapitän zur Seite, sodass auch sie sich den Bedingungen anpassen können“, erklärt Sébastien Le Fouest, Mitarbeiter von Karen Mulleners und Hauptautor der Studie.
Um die optimale Neigung der Rotorblätter für eine effiziente Rotation zu ermitteln, setzen Forschungslabors üblicherweise auf Computersimulationen. Aufgrund der komplexen und variablen Windströmungen um eine H-Typ-Windturbine sind solche Simulationen jedoch nicht immer ideal. Das Team in Lausanne entschied sich deshalb, ein Miniaturmodell mit einem einzigen Rotorblatt und integrierten Sensoren zu bauen, um die erzeugte Energie im Strömungskanal zu messen.
Zudem berechneten sie die Kräfte, die auf die Komponenten des Windradmodells wirken, und die Bewegungsbahnen der Luftteilchen. Mit diesem innovativen Experiment konnten die Forschenden die Auswirkungen verschiedener „Tänze des Windrades“, wie Le Fouest die Bewegungen nennt, untersuchen. „Ich erhalte innerhalb einer Minute Messungen, für die eine Simulation drei Wochen brauchen würde“, betont der Wissenschaftler. Nach fast drei Jahren Entwicklungsarbeit an diesem Testsystem hat sich der Aufwand für ihn gelohnt. „Diese Art experimenteller Optimierung sieht einfach aus, aber sie ist das Ergebnis von aussergewöhnlichem, kollektivem Engagement“, fügt Karen Mulleners hinzu.
Wirkungsgrad lässt sich verdreifachen
Nach der Fertigstellung des Systems führte das Forschungsteam mit Hilfe eines so genannten genetischen Algorithmus Tests mit Tausenden von Windbedingungen durch. So konnten sie die notwendige Anpassungsfähigkeit der Rotorblätter ermitteln, um ein ideales Gleichgewicht zwischen maximalem Energieertrag und Langlebigkeit der Anlage zu finden. Die Laborversuche zeigten, dass sich der Wirkungsgrad der Anlage dadurch potenziell verdreifachen lässt.
Um diese Ergebnisse auf einen industriellen Maßstab hochrechnen zu können, sind jedoch Tests mit mehreren Rotorblättern und in realer Größe erforderlich. „Unsere Daten zeigen, dass man sehr wahrscheinlich die Lebensdauer und den Wirkungsgrad traditioneller Windkraftanlagen erreichen oder sogar übertreffen könnt“, erklärt Sébastien Le Fouest. Diese Hypothese will der Forscher nun mit Unterstützung eines BRIDGE-Beitrags des Schweizerischen Nationalfonds (SNF) und der Innosuisse weiter untersuchen. Eine Zusammenarbeit mit einem Schweizer Unternehmen ist bereits angelaufen, um die Forschungsergebnisse an einem industriellen Prototyp zu testen.
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