{"id":98703,"date":"2024-04-05T02:44:00","date_gmt":"2024-04-05T00:44:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/?p=98703"},"modified":"2024-04-04T10:44:38","modified_gmt":"2024-04-04T08:44:38","slug":"frischer-wind-fuer-vertikale-windraeder","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.sonnenseite.com\/de\/wissenschaft\/frischer-wind-fuer-vertikale-windraeder\/","title":{"rendered":"Frischer Wind f\u00fcr vertikale Windr\u00e4der"},"content":{"rendered":"\n

Um den Bau von mehr Windkraftanlagen in der Schweiz zu erm\u00f6glichen, optimieren Forschende Modelle mit senkrechten Rotoren. Sie sind kompakter und leiser als klassische Windr\u00e4der.<\/p>\n\n\n\n

Die niedrigere Stromproduktion von Solaranlagen und Stauseen im Winter ist eine der grossen Herausforderungen f\u00fcr die Energiewende in der Schweiz. Windkraftanlagen, deren Wirkungsgrad sich in der kalten Jahreszeit verdoppelt, k\u00f6nnten deswegen beim Umstieg auf erneuerbare Energien eine entscheidende Rolle spielen. Da sie allerdings viel Platz ben\u00f6tigen und laut sind, ist es schwierig, neue Standorte f\u00fcr sie zu finden \u2013 insbesondere hierzulande, wo die st\u00e4dtische Dichte hoch ist und unbewohnte Gebiete oft steil und damit ungeeignet sind oder unter Schutz stehen.<\/p>\n\n\n

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\u00a9 Alain Herzog \/ EPFL \u2013 Schweizerischer Nationalfonds | S\u00e9bastien Le Fouest mit seiner motorisierten und mit Sensoren ausgestatteten Miniaturwindkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse.<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Das Team von Karen Mulleners, die vom Schweizerischen Nationalfonds (SNF) unterst\u00fctzt wird, arbeitet an einer alternativen L\u00f6sung, um die Windenergie auszubauen. Die Forscherin von der EPFL interessiert sich f\u00fcr Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse, sogenannte Windkraftanlagen vom Typ H. Deren Rotorbl\u00e4tter stehen senkrecht zum Boden und drehen sich wie ein Karussell um die zentrale Achse. Durch diese Bauart ben\u00f6tigen sie bei gleicher Rotorblattl\u00e4nge nur einen Drittel des Platzes im Vergleich zu einem klassischen Windrad. Sie sind zudem dreimal leiser und dank der langsameren und besser absch\u00e4tzbaren Rotation weniger gef\u00e4hrlich f\u00fcr V\u00f6gel. Damit eignen sie sich sowohl f\u00fcr die Verdichtung bereits bestehender Windparks als auch f\u00fcr Anlagen, die sich n\u00e4her an st\u00e4dtischen Gebieten befinden.<\/p>\n\n\n\n

Bislang aber stand die Entwicklung dieser Windr\u00e4der vor einer physikalischen Herausforderung: dem sogenannten dynamischen Str\u00f6mungsabriss. Dieses Ph\u00e4nomen kann auftreten, wenn Bewegung und Geschwindigkeit der Luft sich so \u00e4ndern, dass die Str\u00f6mung nicht mehr der Kr\u00fcmmung eines Objekts folgt. Es entstehen dann in einem Sog dahinter Wirbel und Turbulenzen. Bei Windkraftanlagen kommt es zu diesem Ph\u00e4nomen, wenn der Winkel zwischen Wind und Rotorblatt zu gross wird, was besonders bei vertikalen Modellen der Fall ist, sobald der Wind eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht. In einer Studie, die in der Zeitschrift Nature Communications (*) ver\u00f6ffentlicht wurde, zeigt das Lausanner Team, wie dieses Problem gel\u00f6st werden kann.<\/p>\n\n\n\n

Komplexe Anlage im Miniaturformat<\/h4>\n\n\n\n

Karen Mulleners will den dynamischen Str\u00f6mungsabriss von vertikalen Windkraftanlagen begrenzen, indem sie mit ihrem Team Windr\u00e4der mit beweglichen Rotorbl\u00e4ttern entwickelt. Dank Motoren sollen die Rotorbl\u00e4tter der sich drehenden Anlage immer in der idealen Neigung zum Wind stehen. \u00abEin Schiff braucht eine Crew, die die Segel ausrichtet, um den Kurs zu halten. Stattet man die Rotorbl\u00e4tter von Windkraftanlagen mit kleinen Motoren aus, stellt man ihnen quasi einen Kapit\u00e4n zur Seite, sodass auch sie sich den Bedingungen anpassen k\u00f6nnen\u00bb, sagt S\u00e9bastien Le Fouest, Mitarbeiter von Karen Mulleners und Erstautor der Studie.<\/p>\n\n\n\n

Dazu muss man wissen, welche Neigung des Rotorblattes eine optimale Rotation erm\u00f6glicht. Solche Probleme l\u00f6sen Labore \u00fcblicherweise mit Computersimulationen. Das ist nicht ideal, da die Str\u00f6mungen um eine Windkraftanlage des Typs H in Abh\u00e4ngigkeit vom Wind erzeugt werden und nur schwer vorherzusagen sind. Das Team in Lausanne hat sich deswegen entschieden, eine Anlage im Miniaturformat mit einem einzigen Rotorblatt zu bauen. Dabei haben die Forschenden auch Sensoren angebracht, um die im Str\u00f6mungskanal erzeugte Energie zu messen.<\/p>\n\n\n\n

Zus\u00e4tzlich wurden die Kr\u00e4fte, denen die einzelnen Komponenten des Windradmodells ausgesetzt sind, und die Flugbahnen der Luftpartikel berechnet. Mit diesem besonderen Versuchsaufbau konnten die Forschenden bestimmen, wie sich die unterschiedlichen \u00abT\u00e4nze des Windrades\u00bb, wie S\u00e9bastien Le Fouest die Bewegungen gerne nennt, auswirken. \u00abIch erhalte innerhalb einer Minute Messungen, f\u00fcr die eine Simulation drei Wochen brauchen w\u00fcrde\u00bb, so der Forscher. Es hat sich deshalb f\u00fcr ihn gelohnt, dass er fast drei Jahre in die Entwicklung dieses Testsystems investiert hat. \u00abDiese Art experimenteller Optimierung sieht einfach aus, aber sie ist das Ergebnis von aussergew\u00f6hnlichem, kollektivem Engagement\u00bb, erg\u00e4nzt Karen Mulleners.<\/p>\n\n\n\n

Verdreifachung des Wirkungsgrades<\/h4>\n\n\n\n

Nachdem das System ausgearbeitet war, testeten die Forschenden Tausende von Windbedingungen mithilfe eines sogenannten genetischen Algorithmus. So konnten sie bestimmen, wie stark sich die Rotorbl\u00e4tter anpassen sollen, um den optimalen Kompromiss zwischen h\u00f6chstem Stromertrag und Lebensdauer der Windanlage zu erreichen. Insgesamt kann der Wirkungsgrad der Anlage im Labor so um das Dreifache gesteigert werden. Um diese Zahlen auf industriellen Massstab zu \u00fcbertragen, muss aber mit mehreren Rotorbl\u00e4ttern und der realen Gr\u00f6sse gerechnet werden. \u00abUnsere Daten zeigen, dass man sehr wahrscheinlich die Lebensdauer und den Wirkungsgrad traditioneller Windkraftanlagen erreichen oder sogar \u00fcbertreffen k\u00f6nnte\u00bb, sagt S\u00e9bastien Le Fouest. Eine Vermutung, die der Forscher mithilfe einer
BRIDGE-F\u00f6rderung des SNF und von Innosuisse nun \u00fcberpr\u00fcfen will. Bereits wurde eine Zusammenarbeit mit einem Unternehmen in der Schweiz in die Wege geleitet, um die Ergebnisse an einem industriellen Prototyp zu testen.<\/p>\n\n\n\n

(*) S. Le Fouest und K. Mulleners: Optimal blade pitch control for enhanced vertical-axis wind turbine performance. Nature Communications (2024)<\/a><\/p>\n\n\n

Quelle<\/h5>\r\n\n\n\n

Schweizerischer Nationalfonds (SNF) 2024<\/a><\/p>\n

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