Wenn Windenergieunternehmen in immer tiefere Gewässer vordringen, ist die traditionelle Windmühlen-Turbine möglicherweise nicht die am besten geeignete Lösung. Es ist Zeit, nach Alternativen zu suchen.

Windkraftanlagen hatten traditionell Klingen, die um eine horizontale Achse drehen, und dies hat Standard in der modernen Windparks geblieben. Herkömmliche Horizontalachsen-Windturbinen (HAWTs) kam der Windenergiemarkt, sowohl an Land als auch in flachen Gewässern Offshore zu dominieren.

Aber die besten Windpark-Standorte sind oft in tieferen Meeren zu finden, weit entfernt von Windhindernissen, Schifffahrtswegen, Nimbys und Zugvögeln. Stützstrukturen, die starr am Meeresboden befestigt sind, sind in Tiefen, die über 50m hinausgehen, möglicherweise nicht wirtschaftlich rentabel, weshalb sich Ingenieure stattdessen schwimmenden Fundamenten zuwenden.

Dies sind sehr unterschiedliche Bedingungen, um Strom aus Wind zu erzeugen, was ein erneutes Interesse an alternativen Windturbinen-Konfigurationen bedeutet. Wie wir berichten Philosophische Transaktionen der Royal Society die Annahme einer vertikalen Rotationsachse ist eine solche Alternative. Diese Turbinen, die immer dem Wind zugewandt sind, sind als Vertikalachsenwindturbinen (VAWTs) bekannt.

Stabile Strukturen

Traditionelle Horizontalachsenturbinen sind sehr kopflastig, mit den Messern und der Ausrüstung, die an die Spitze des Turms befestigt Leistung notwendigerweise erzeugt. In einer großen Offshore-Anlage kann dieser Teil mehrere hundert Tonnen wiegen und um 100m über dem Meeresspiegel liegen.

In einer Vertikalachsen-Turbine können die Erzeugungssysteme in einer viel geringeren Höhe sein, sogar direkt an der Basis des Turms. Dies bedeutet, VAWTs neigen dazu, einen viel niedrigeren Schwerpunkt zu haben.

Auf schwimmenden Stützen wird dieser Vorteil vergrößert - denken Sie nur daran, wie stabil Sie sind, wenn Sie in einem Kanu sitzen und nicht darauf stehen.

Durch das Absenken der Generatoren sind sie auch leichter zugänglich und einfacher zu warten oder auszutauschen. Mit einer VAWT beispielsweise müssen Arbeiter nur eine kurze Strecke hochklettern, um Zugang zu den Maschinen zu erhalten, anstatt auf einen 100m-Turm zu klettern, der sich ständig bewegt.

Size Matters

In der Regel größere Windkraftanlagen produzieren billiger Strom. Dies hat zu den Turbinen geführt, immer größere und leistungsstärkere, vor allem, Offshore, wo 50m Klingen jetzt Routine sind und einige sind sogar weit größer.

Aber solche horizontal rotierenden Riesen könnten bald an ihre Grenzen stoßen. Wenn die Achse der Schaufel betrachtet wird, ist die Gravitationskraft senkrecht zu dieser, wenn diese horizontal ist, während die Gravitationskraft, wenn die Schaufel vertikal (nach oben) ist, parallel zur Achse ist und zur Wurzel der Schaufel zeigt. Schließlich, wenn die Klinge wieder vertikal (nach unten) ist, wird die Gravitationskraft parallel zur Klingenachse sein, aber jetzt zur Spitze hin zeigend. Etwas Es wurden Studien Anspruch dieser oszillierenden Gravitationslast die Größe der horizontalen Achse Turbinen begrenzt.

Vertikal-Axialturbinen lösen dieses Problem, weil sie, während sie rotieren, eine konstante Gravitationskraft immer in der gleichen Richtung erfahren. Ohne die Belastung, 80m-Metallklingen an einem Ende zu halten, können VAWTs möglicherweise viel größer werden.

Forschung hat auch vertikale Turbinen gezeigt, in einem Windpark zueinander angeordnet sind näher werden. Also für einen gegebenen Bereich kann mehr VAWTs installiert werden und mehr Strom erzeugt als wenn HAWTs verwendet wurden, wodurch die Stromkosten zu senken.

Die Achse Revolution

Jetzt stellt sich die offensichtliche Frage: Warum wurden VAWTs noch nicht verwendet, wenn sie so vorteilhaft sind? Der Hauptgrund ist, dass es immer noch eine neue Technologie ist. Obwohl Forscher jahrzehntelang nach vertikalen Achsen gesucht haben, blieb die Technologie aufgrund von Material- und Lagersystemeinschränkungen zurück. Die Anleger sehen die bekannte Technologie immer noch als eine sichere Sache an und selbst bei Blick auf den Tiefseewind neigen sie eher dazu, Turbinen mit horizontaler Achse auf schwimmenden Plattformen zu unterstützen.

Doch beide Regierungen und zukunftsorientierte Unternehmen investieren jetzt in das Potenzial von VAWTs für Tiefsee Offshore-Wind. Das Nova-Projekt, die von der britischen Regierung finanziert wurde, demonstrierte, dass die Offshore-Hochachse wirtschaftlich rentabel war. Sandia National Laboratories, unterstützt von der US-Energiebehörde, und verschiedene EU-unterstützt Projekte haben auch die Technologie unterstützt.

Auch Industrieunternehmen wie der Brite VertAx Wind oder der Norweger Gwind ziehen sich durch die Entwicklung unterschiedlicher Konzepte nach. Das französische Unternehmen Nenuphar treibt sein VAWT-Design voran und plant (im oberen Teil dieses Artikels), den ersten schwimmenden Windpark zu installieren vor der Küste von Marseille.

Angesichts der steigenden Nachfrage nach Energie sind wir gezwungen, jede mögliche Lösung zu erforschen. Vertikalachsen-Windturbinen in der Tiefsee haben großes Potenzial, eine dieser Lösungen zu sein.

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch
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Über den Autor

Maurizio Collu ist Dozent, Offshore Zentrum für erneuerbare Energien an der Cranfield University. Dr. Collu ist der Course Director des Advanced Mechanical Engineering MSc, und Dozent für Strömungsmechanik und Beladen, CEng, MRINA und MEI. Er engagiert sich besonders in der konzeptionellen und Vorplanung von Offshore-Tragstrukturen für die aufkommende schwimmenden Windkraftindustrie.

Michael Borg ist derzeit die Durchführung als Postdoc in der Abteilung für Windenergie an der Technischen Universität von Dänemark auf schwimmenden Vertikalachsen-Windturbinen-Konzepte mit Unterstützung der EU-geförderten DeepWind und INFLOW Projekte.

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