Windenergieanlagen mit senkrechter Drehachse – „Vertikalachser“

Die ältesten, bekannten Windenergieanlagen der Welt sind seit 1700 vor Christus gebaute vertikale Windenergieanlagen. Sie entstanden in den Gegenden des heutigen Iran und Afghanistan. Ruinen von antiken, persischen Windmühlen sind heute noch zu sehen.

Diese Widerstandsläufer funktionieren durch einen halb abgeschatteten Rotor. Eine Mauer schützt eine Hälfte des Windrotors. Der Wind weht durch die andere offene Hälfte und treibt somit den Rotor an.

Der Savonius-Rotor ist wegen seines einfachen Aufbaus der bekannteste Rotor mit vertikaler Achse. Er hat einen sehr geringen Leistungsbeiwert von 0,15. Das heißt, er kann maximal 15 Prozent der kinetischen Energie des Windes entnehmen.

Er wird nur bei spezifischen Anwendungen (kleine Leistung bei hohem Drehmoment, Anlauf bei niedriger Windgeschwindigkeit, o.ä.) eingesetzt. Diese Anwendungen sind zum Beispiel kleine Pumpenanlagen, drehende Werbungen, Lüfter auf Lieferwagen oder Spielzeuge.

Das Schalenkreuzanemometer wird, da es einen sehr geringen Leistungsbeiwert von c_P.max ≈ 0,08 besitzt, nicht zur Energiegewinnung eingesetzt. Es wird hauptsächlich zur Messung von Windgeschwindigkeiten verwendet.

Da eine geschlossene Halbkugel einen geringeren Widerstandsbeiwert c_W besitzt als eine offene Halbkugel, dreht sich das Schalensternanemometer. Es kann allerdings nur die horizontale Komponente des Windes erfassen und arbeitet unabhängig von der Windrichtung.

Ein moderner Rotor mit vertikaler Achse, der nach dem Auftriebsprinzip arbeitet, ist der Darrieus Rotor. Dieser wurde 1925 vom Franzosen George Darrieus (geboren 24. September 1888 in Toulon, Frankreich; † 15. Juli 1979) erfunden und 1931 in den USA patentiert.

Ein Darrieus-Rotor besteht aus mehreren (meist zwei bis vier) senkrechten auf einer Bogenlinie gekrümmten Blättern, die an einer vertikalen Drehachse befestigt sind. Diese erfahren je nach Winkellage beim Umlauf eine veränderliche Anströmung und Auftriebskraft, so dass sich kein gleichmäßiges Drehmoment ergibt. Der maximale Leistungsbeiwert ist etwas geringer als bei Auftriebsläufern mit horizontaler Achse. Darrieus-Rotoren können u.U. nicht oder nur sehr schlecht selbst anlaufen. Beim Start könnte der Generator als Motor arbeiten und den Rotor auf Drehzahl bringen oder es gibt eine andere aerodynamische Anlaufhilfe.

Diese Variante des Darrieus hat gerade Rotorblätter, die über eine Halterung an der senkrechten Welle befestigt sind. Bei kleinen Windenergieanlagen mit geringer Leistung (< 10 kW) sind Darrieus-Rotoren mit geraden Rotorblättern sehr verbreitet, da sie einfach und kostengünstig zu bauen sind.