Snudde rotorbladene på vindturbinen, økte strømproduksjonen med 200 prosent

De fleste store vindturbiner som bygges, har horisontal aksling. Vindturbiner med vertikal aksling, der rotorbladene snurrer vinkelrett på vindretningen, er det ikke så mange av. Utformingen kalles av og til H-typen og har også blitt sammenlignet med et tørkestativ.

Sveitsiske forskere har imidlertid fattet interesse for teknologien. Sveits er preget av en høy befolkningstetthet i byene, mens de ubebygde områdene ofte er svært kuperte eller vernet. Dette gjør det vanskelig å få aksept for konvensjonelle, store vindkraftverk, som krever mye plass og kan gi en del støy.

Turbiner med vertikal aksling kan være et alternativ fordi de tar mindre plass, er mer stillegående og mindre farlige for fugler. Derfor kan de plasseres nærmere byene.

– Vi gir dem en kaptein

Men vindturbiner med vertikal aksling er følsomme for kraftige vindkast. De fungerer best når vinden er av moderat styrke og har relativt stabil hastighet.

Den vertikale akslingen gjør at bladene hele tiden endrer posisjon i forhold til vinden. I et kraftig vindkast øker vinkelen mellom luftstrømmen og bladet, noe som forårsaker luftvirvler – dynamisk steiling. Dette skaper krefter som bladene ikke tåler.

For å løse dette problemet har de to sveitsiske forskerne Karin Mulleners og Sébastien Le Fouest ved École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) testet om rotorbladene kan justere vinkelen slik at de kontinuerlig tilpasser seg vinden. Tanken er at motorer skal bevege rotorbladene rundt sin egen akse samtidig som de roterer rundt vindturbinens akse.

– Et skip trenger et mannskap til å justere seilene for å holde kursen. Ved å utstyre turbinbladene med små motorer gir vi dem en kaptein, slik at de også kan tilpasse seg forholdene, sier Sébastien Le Fouest i en pressemelding.

Reduserte skadelige vibrasjoner

Forskerne laget et lite vindkraftverk med bare ett rotorblad og utstyrte det med sensorer for å måle strømproduksjonen. Deretter ble det kjørt i en vindtunnel.

Det ble gjort beregninger av luftpartiklenes bane og kreftene som ble påført de ulike komponentene under testene.

Installasjonen gjorde det mulig å raskt teste og forstå hvordan ulike justeringer av rotorbladene ville påvirke strømproduksjonen. Sébastien Le Fouest sammenligner det med ulike «vindturbin-danser».

Det tok tre år å bygge miniturbinen, men forskerne sier at det var verdt det, siden det nå går raskere å få måleresultater enn å gjennomføre simuleringer.

Testsystemet ble brukt under tusenvis av ulike vindforhold. En såkalt genetisk algoritme, inspirert av naturlig seleksjon, ble deretter brukt til å finne det beste kompromisset mellom høy strømproduksjon og lite vibrasjoner i konstruksjonen.

På denne måten kom forskerne frem til to optimale justeringsprofiler som øker laboratoriets strømproduksjon med 200 prosent og reduserer skadelige vibrasjoner med 77 prosent, sammenlignet med ingen justering av bladene.

Resultatene ble nylig publisert i Nature Communications og skal nå testes i en industriell prototype. Forskerne har allerede innledet et samarbeid med et selskap i Sveits.

– En umulig forbedring

Erik Möllerström, som er førsteamanuensis i energiteknikk ved Högskolan i Halmstad i Sverige, mener imidlertid at det er umulig å oppnå en forbedring på 200 prosent i en stor vindturbin med flere vinger ved hjelp av denne metoden.

– Mån oppnådde 43 prosent i virkningsgrad for en stor vertikalakslet testturbin i USA allerede på slutten av 1980-tallet – basert på det er en slik forbedring umulig. Det er også forskjell på hva man kan oppnå i et laboratoriemiljø og i praktisk bruk. Her har de bare bygget en bladprofil i laboratoriet, sier han.

De sveitsiske forskerne mener imidlertid at resultatene deres peker i riktig retning.

– Dataene våre viser at det er svært sannsynlig at både livslengden og effektiviteten hos klassiske vindkraftverk kan nås eller passeres, sier Le Fouest.

– Ikke riktig løsning

Möllerström synes studien er interessant, særlig fordi den bruker maskinlæring, men tror ikke at den vil gjøre det lettere å kommersialisere vindturbiner med vertikal aksling.

– Det at turbiner med vertikal aksling plutselig vil ta store markedsandeler, det tror jeg når jeg ser det, sier han.

Det viktigste er at turbinene kan fungere feilfritt i lang tid med så lite vedlikehold som mulig, understreker Möllerström. Motorer og systemer for justering av bladvinkler øker kompleksiteten og antallet komponenter som kan svikte.

– Det har vist seg å være vanskelig å konstruere store vertikalakslede vindkraftverk som er så robuste og driftssikre at de kan konkurrere kommersielt med de horisontalakslede. Min første reaksjon er at økt kompleksitet i form av justerbare bladvinkler neppe er løsningen for å bli konkurransedyktig.

Artikkelen ble først publisert på Ny Teknik for deres abonnenter. Den er tilgjengelig på norsk for abonnenter av Ekstra gjennom vår samarbeidsavtale.