Hvorfor satser man ikke på vertikale vindturbiner?

Ingeniørens leser Thomas Kofoed har spurt:

Jeg har sett vertikale turbiner! De ser litt snodige ut, men ved nærmere øyesyn er det en rekke fordeler med dem, slik jeg ser det.

Det er for eksempel ikke noe annet mekanisk enn en vertikalt roterende aksel. 'Møllen' trenger ikke å snus, selv om vinden skifter, og bladene trenger ikke å kunne endre vinkel heller. Det kan være behov for en slags skjerm for å begrense virkningen av sterk vind.

Jeg har sett polakker gjøre en del variasjoner av denne typen turbiner, og jeg er faktisk litt imponert over det enkle designet i stedet for de vanlige 'Vestas / Siemens' -typene.

Vil det ikke være mulig å hente ut en lignende effekt fra disse vertikale turbinene 'Vertical Axis Wind Mills'?

Mange fordeler

Henrik Stiesdal, oppfinner og vindturbinpioner, svarer:

Vertikalakslede vindmøller er kjent fra eldgamle tider og ble brukt langt ut på 1900-tallet til å male korn i områdene sør for Kaspihavet (dagens Iran og Afghanistan). Verdens første kraftproduserende vindturbin, bygget av James Blyth i Skottland i 1888, var også vertikalakslet.

Felles for disse tidlige turbinene var at de hadde svært lav effektivitet. Først i 1926 ble det kom et bud på en høyeffektiv vindturbin med vertikal akse, nemlig Darrieus-turbinen, oppkalt etter oppfinneren, den franske aerodynamikeren George Jena Marie Darrieus.

Darrieusturbinen er besnærende enkel og har mange attraktive fordeler:

• En darrieusturbin har en vertikal aksel og lange, buede blader med konstant bredde. Den konstante bredden gjør det mulig å produsere bladene ved ekstrudering og andre lignende industrielle prosesser
• Overføringssystemet og det elektriske utstyret kan plasseres på bakken, og vindtrubinen trenger ikke å heises opp i vinden.
• Ved å plassere lagre øverst og nederst, både nær bladpunktene og ved å avstive det øvre lageret med barduner, er det mulig å oppnå at praktisk talt ingen bøyemomenter overføres til hovedakselen, kun forskyvningskrefter. Og ved å utforme bladbuen som en kjedelinje, kan man (i det minste i prinsippet) oppnå den ekstra fordelen at praktisk talt ingen bøyemomenter oppstår i bladene, slik at lasten til bladmaterialet i prinsippet kan være rent aksial i hvilket som helst tverrsnitt.

Darrieusturbinens ulemper

Darrieusturbinen har imidlertid også en rekke betydelige ulemper:

• Bladene har bare en optimal innfallsvinkel over en beskjeden del av rotasjonen, og en stor del av bladene er for nær akselen. Dette betyr at den samlede effektiviteten er mye lavere enn man umiddelbart skulle tro.
• Det som er verre, vingene opplever veldig store vekslende belastninger under en omdreining. De går fra å være praktisk talt ubelastede under den delen av omdreiningen hvor de beveger seg rett opp mot eller bort fra vinden, til å bli maksimalt belastet på den venstre siden og kraftig belastet i motsatt retning på lesiden. Det stiller veldig høye krav til utmattelsestyrken til vingene og deres oppheng.
• Fordi bladene går fra null til maksimal eller nær maksimal belastning under en omdreining, blir kraftuttaket veldig uregelmessig. Verst selvfølgelig med to vinger, men også dårlig med tre eller flere vinger.

Andre varianter

I de tidlige årene av moderne vindturbinutvikling var det fortsatt uklart om horisontale eller vertikalakslede vindturbiner ville bli den dominerende teknologien, og hvis man studerer litteraturen fra konferanser på 1970-tallet, ser vindturbiner med vertikal akse nesten like 'mainstream' ut som horisontal akse.

På slutten av 1970-tallet ble det satt opp en rekke eksperimentelle turbiner, og i første halvdel av 1980-tallet var det flere serieproduserte modeller på markedet. Men etter hvert viste det seg at ulempene langt på vei oversteg fordelene, og det endte med at de horisontalakaslede turbinene ble den dominerende teknologien.

Mange varianter av vertikalakslede turbiner har blitt prøvd for å få bort vanskelighetene med den klassiske Darrieus-turbinen. En av dem er Voith-Schneider-møllen, der vingene er loddrette og ikke buede, og hvor de er hengslede og kan vippe litt rundt lengdeaksen. Med dette arrangementet kan du kontrollere innfallsvinkelen til vingene innen visse grenser og dermed oppnå litt høyere effektivitet.

Andre varianter har bladene anordnet i spiralform rundt turbinens lengdeakse, slik at problemet med vekslende ytelse minimeres. Men de alle har til felles er at ingen ennå har klart å konkurrere med de horisontalakslede turbinene når det kommer til den samlede økonomien.

Selv så jeg de første årene på vertikalakslede turbiner, ikke så mye fordi jeg trodde det nødvendigvis var veien videre, men fordi jeg ønsket å forstå konseptet ordentlig.

Skepsis blant fagfolk

I 1978 besøkte jeg både National Windmill Test Center på Rocky Flats nær Boulder, Colorado, hvor det ble satt opp en mindre Voith-Schneider vindmølle, og Sandia Laboratories i Albuqurque, New Mexico, hvor det var en (den gang) gigantisk Darrieus vindturbin med hele 17 meter vingespenn.

Ingen av dem var i drift, og man kunne skjønne at forskerne gradvis så på kreasjonene sine med en viss skepsis blandet inn i den generelle entusiasmen.

Ti år senere, i 1988, besøkte jeg et par vindparker i Bonus i Altamont Pass, øst for San Francisco. Bonusturbinene ble satt opp sammen med et stort antall tovingede Darrieus-turbiner, produsert av det amerikanske selskapet FloWind Corp. FloWind hadde gått konkurs i 1987, men før det hadde de klart å sette opp over 500 stykker 170 kW turbiner med en diameter på 17 meter.

FloWind-turbinene sto stort sett stille, men noen ganger kjørte nesten alle. Så hendte det noen ganger at en stor del av turbinene ble synkronisert med hverandre og kom til å kjøre i takt. Årsaken var at kraften fra den enkelte turbin varierte så mye under en omdreining at den påvirket spenningen på nettet.

Dermed kunne turbinene føle hverandre, og så begynte de altså å tilpasse seg spenningsvariasjonen. Det så ganske rart ut med dusinvis av de futuristiske møllene i det kuperte landskapet, som alle gikk i takt.

Kan ikke konkurrere

Selv om de vertikale akslede turbinene ikke har klart å hevde seg mot de horisontalakslede, hender det fra tid til annen at man leser om nye prosjekter med veldig store turbiner med vertikal aksel. De er vanligvis til offshore bruk, og jeg vil gjette at det til enhver tid de siste 10 årene har vært minst to eller tre prosjekter i Europa.

Disse prosjektene starter med pressemeldinger og mye oppstyr og forsvinner så i stillhet om noen år. Min beste spådom er at det rett og slett aldri vil skje, og at vindturbinene med den horisontale akselen har nådd den endelige formen.

Denne artikkelen ble først publisert på Ingeniøren.