Quelltext der Seite Vertikalrotor (Windturbine)

[[Datei:Taiwan 2009 JinGuaShi Historic Gold Mine Combined Darrieus Savonius Wind Turbines FRD 8638.jpg|mini|hochkant=1.1|[[Hybrid]] aus [[Darrieus-Rotor|Darrieus-]] und [[Savonius-Rotor]]]]
Ein '''Vertikalrotor''' (auch '''''V'''ertikal('''a'''chs)'''w'''ind'''t'''urbine'', ''-windrad'', oder ''-läufer'' genannt, kurz ''VAWT'', {{enS|'''''V'''ertical '''A'''xis '''W'''ind '''T'''urbine''}}) ist eine Bauart eines [[Windgenerator]]s, bei dem die [[Drehachse]], die zugleich die [[Welle (Mechanik)|Welle]] ist, vertikal ([[lotrecht]]) steht.

Das Drehmoment entsteht durch winkelabhängigen [[Dynamischer Auftrieb|dynamischen Auftrieb]] oder [[Strömungswiderstand]]. Es gibt solche Windmühlen mit festen Flügeln oder beweglichen Elementen (siehe [[Klappflügel-Rotor]]).

Die Drehbewegung ist bei solchen Turbinen oft unabhängig von der [[Windrichtung]], sie benötigen also keine [[Windrichtungsnachführung]]. Eine solche windrichtungsunabhängige Turbine, die den Strömungswiderstand nutzt, wird im englischen Sprachraum auch '''Panemone windmill''' genannt (von {{elS}} ''pan'' = „jeder“ oder „alle“; ''anemos'' = „Wind“).

Andere Bauformen haben feststehende Leitelemente für den Wind und arbeiten nur in der Hauptwindrichtung.

Bei [[Windmühle]]n mit vertikaler Achse ist historisch auch die Bezeichnung '''Horizontalwindmühle''' üblich, wobei sich ''horizontal'' nicht auf die Lage der Achse, sondern die der Radebene bezieht (vgl. [[Horizontalrad-Wassermühle]]).

== Geschichte ==
Horizontalwindmühlen mit ihrer vertikalen Achse gehören wegen der einfachen und robusten Bauweise zu den ältesten bekannten Mühlen. Lange vor den heute üblichen Windmühlen mit horizontaler Achse wurden sie von den [[Chinesische Windmühle|Chinesen]] (''siehe auch [[Klappflügel-Rotor]]''), den [[Persische Windmühle|Persern]]<ref>{{Internetquelle |url=https://www.muehlenmuseum-dinslaken-hiesfeld.de/mod01.htm |titel=Mühlenverein - Modell 01 |abruf=2021-09-20}}</ref> und anderen [[Hochkultur (Geschichtswissenschaft)|Hochkulturen]] eingesetzt. Erst im [[Mittelalter]] etablierte sich in Mitteleuropa die Bauform mit horizontaler Drehachse und Flügeln aus Holz und/oder Tuch.
<gallery mode="packed" widths="150" heights="190">
 古老的垂直轴风力发电机.jpg|Chinesische Windmühle<ref>{{Internetquelle |url=https://www.muehlenmuseum-dinslaken-hiesfeld.de/mod38.htm |titel=Mühlenverein - Model 38 |abruf=2021-09-18}}</ref>
 Persische Windmühle Model - Deutsches Museum München.jpg|[[Iran|Persische]] Horizontalwindmühle, Modell, [[Deutsches Museum]]<ref>{{Internetquelle |url=https://www.deutsches-museum.de/museumsinsel/ausstellung/kraftmaschinen/themen-kraftmaschinen |titel=Themen Kraftmaschinen - Deutsches Museum |sprache=de-DE |abruf=2021-09-20}}</ref>
 Mühlenmuseum Hiesfeld-Horizontalmühle Afghanistan.jpg|[[Afghanistan|Afghanische]] Horizontalwindmühle, Modell, [[Mühlenmuseum Hiesfeld|Mühlenmuseum<br />Hiesfeld]]<ref>{{Internetquelle |url=https://www.muehlenmuseum-dinslaken-hiesfeld.de/mod48.htm |titel=Mühlenverein - Modell 48 |abruf=2021-09-20}}</ref>
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Ab Mitte des 19.&nbsp;Jahrhunderts arbeiteten Ingenieure und Techniker an der Entwicklung von sogenannten „Windmotoren“, d.&nbsp;h. fortschrittlichen Windmühlen als Maschinenantrieb für [[Windpumpe|Pumpwerke]] und zur [[Stromerzeugung]]. Hierbei wurde sowohl an Windrädern mit horizontaler Achse (etwa der [[Westernmill]]), als auch an Weiterentwicklungen mit vertikaler Achse gearbeitet:
* [[James Blyth (Ingenieur)]], ab ca. 1885: Widerstandsläufer in Schalenbauweise
* [[Georges Darrieus]], ab Mitte der 1920er-Jahre (Patente 1927 und 1931): Erfindung des [[Darrieus-Rotor]]s
* [[Sigurd Savonius]], Mitte der 1920er-Jahre (Patent 1926): Erfindung des [[Savonius-Rotor]]s

<gallery mode="packed" widths="160" heights="200">
 Fotothek df rp-c 0080026 Reichenbach-O.L.. Horizontales Windrad, aus- Niederschlesische Zeitung vom 13.6..jpg|Horizontal-<br />windmühle mit klappenden Flügeln (1880)
 Molen Paasloo.JPG|Vertikalachs-<br />windmühle als Antrieb für ein [[Pumpwerk]] (Paasloo, Niederlande, 1899)
 Blyth's windmill (Rankin Kennedy, Modern Engines, Vol I).jpg|Windmotor von [[James Blyth (Ingenieur)|James Blyth]] (1905)
 Fotothek df rp-b 0190056 Leipzig-Sellerhausen-Stünz. Windmotor, aus, Der Leipziger vom 9.3.1907.jpg|Windmotor als Antrieb für eine [[Sägemühle]] ([[Leipzig]], 1907)
</gallery>

== Typen ==
=== Widerstandsläufer ===
<gallery perrow="3" mode="packed" widths="180" heights="200" class="float-right">
   Savonius-rotor de.svg|Wirkungsweise eines Savonius-Rotors
   Hornblower-Hybrid (3).jpg|Verdrillter Savonius-Rotor (Helix-Form)
</gallery>
Widerstandsläufer nutzen vorwiegend den [[Strömungswiderstand]] der Flügel. Durch den [[Staudruck]], der durch das Abbremsen der Windströmung auf der [[Luv und Lee|Luv]]-Seite (dem Wind zu) des Flügels entsteht, wirkt eine Kraft auf die Fläche des Flügels, welche den Flügel nach [[Luv und Lee|Lee]] (vom Wind weg) drückt. Die Kraft ist am größten, wenn der Flügel stillsteht, sie reduziert sich, je schneller sich der Flügel dreht. Die [[Schnelllaufzahl]] Lambda ist immer kleiner als Eins; Widerstandsläufer sind also ausgesprochene Langsamläufer. Die theoretisch erreichbaren [[Leistungsbeiwert]]e liegen etwa bei maximal 0,2 – die praktisch erreichbaren noch deutlich niedriger.<ref name="Gasch" /><ref name="Jäger" /><ref name="Tropea" /><ref name="Emmert" />

; Typen
* [[Savonius-Rotor]]
** [[Helix]]-Form (verdrillt)
* Schalen-Rotor (ähnlich Schalenstern-[[Anemometer]])
* Vertikalachs-Windrad mit einzeln drehbaren Flügeln
* Durchström-Rotor (mit vielen Schaufeln am Umfang, ähnlich einer [[Durchströmturbine|Querstrom-Wasserturbine]] oder einem [[Querstromventilator]]<ref name="Klemm" /> jedoch ohne Gehäuse, dafür manchmal mit Leitschaufeln)
* Historische Typen (siehe [[#Geschichte|Abschnitt ''Geschichte'']])
** [[Persische Windmühle]]
** [[Chinesische Windmühle]] (leichte Hybrideigenschaften, siehe unten und [[Klappflügel-Rotor]])

=== Auftriebsläufer ===
<gallery perrow="3" mode="packed" widths="180" heights="200" class="float-right">
   Darrieus-windmill.jpg|Darrieus-Rotor in „Schneebesen“-Form
   Windgenerator antarktis hg.jpg|Darrieus-Rotor in „H“-Form, dreiflügelig
   Quietrevolution-model.png|Darrieus-Rotor in „Helix-Form“, dreiflügelig
</gallery>
{{Siehe auch|Darrieus-Rotor}}
Auftriebsläufer nutzen den [[Dynamischer Auftrieb|dynamischen Auftriebseffekt]] einer [[Tragfläche]]. Durch die Umströmung des profilierten Flügels entsteht auf der Flügelvorderseite ein Sog (Unterdruck), auf der Rückseite ein leichter Überdruck. Die Druckdifferenz bewirkt eine Kraft auf den Flügel. Diese Kraft erreicht ihr Maximum, wenn der Flügel in Bewegung ist; die optimale Geschwindigkeit hängt von der Windgeschwindigkeit und dem Flügelprofil ab. Die Schnelllaufzahl Lambda ist größer als eins, bis zu etwa fünfzehn; es werden Leistungsbeiwerte von bis zu 0,5 erreicht. Je leistungsfähiger der Rotor jedoch im oberen Geschwindigkeitsbereich ist, umso geringer ist das Anlaufdrehmoment, das er im Stillstand liefern kann. Gleichzeitig benötigt der größere Generator aber ein höheres Drehmoment zum Anlaufen. Große Auftriebsläufer ohne Flügelverstellung benötigen deshalb einen Hilfsmotor zum Starten.<ref name="Gasch" /><ref name="Jäger" /><ref name="Tropea" /><ref name="Emmert" />

; Typen:
* [[Darrieus-Rotor]]
** O-Form („Schneebesen“-Form, klassisch)
** H-Form
** Helix-Form („Gyromill“, verdrillt)

=== Hybridformen ===
Hybridformen haben das Ziel, die Vorteile von Widerstands- und Auftriebsläufer bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten zu kombinieren. Im unteren Geschwindigkeitsbereich wirkt das hohe Drehmoment des Widerstandsläufers, sodass kein Startermotor erforderlich ist. Im oberen Geschwindigkeitsbereich wirkt das hohe Drehmoment des Auftriebsläufers. Hybridformen sind so flexibler einsetzbar, erreichen aber nicht so hohe Leistungsbeiwerte und somit Leistungen wie reine Auftriebsläufer.<ref name="Gasch" />

== Vor- und Nachteile, Einsatzgebiete ==
Aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus und ihres physikalischen Wirkprinzips weisen Vertikalachser eine Reihe von Vor- und Nachteilen auf:<ref name="re-focus" /><ref name="Emmert" />

'''Vorteile:'''
* Keine [[Windrichtungsnachführung]] notwendig
* einfacher und robuster Aufbau
* unempfindlich gegen wechselnde Winde (Stärke und Richtung)
* Generator und Getriebe können leicht zugänglich in Bodennähe angeordnet werden

'''Nachteile:'''
* geringe Leistungsbeiwerte, insbesondere bei Widerstandsläufer<ref>beim gezielten Einsatz von [[Windpark]]s sind allerdings in Forschungszenarien höhere Leistungen pro Stellfläche als bei Horizontalachsern möglich, vgl. {{Literatur |Autor=John O. Dabiri |Titel=Potential order-of-magnitude enhancement of wind farm power density via counter-rotating vertical-axis wind turbine arrays |Sammelwerk=Journal of Renewable and Sustainable Energy |Band=3 |Nummer=4 |Datum=2011-07-01 |Seiten=043104 |arXiv=1010.3656 |DOI=10.1063/1.3608170}}</ref>
* pulsierendes Drehmoment (kann durch Verdrillen des Rotors gemindert werden → Helix-Form)
* nur in Bodennähe zu installieren, dort jedoch geringe Windgeschwindigkeit 
* evtl. Hilfsmotor als Anlaufhilfe erforderlich bei Auftriebsläufern
* leistungsfähige Auftriebsläufer neigen zu Schwingungen an den Flügeln
* kann bei Sturm nicht zum Schutz aus dem Wind gedreht werden
* wegen geringer Leistungsbeiwerte höhere spezifische Windlast
* die Flügel erfordern eine extra Haltekonstruktion, was die Windlast weiter erhöht

'''Einsatzgebiete:'''<br />
Insbesondere aufgrund der geringen Leistung hatten sich Vertikalachser für den großtechnischen Einsatz zur Stromerzeugung nicht durchgesetzt. Hier kommen fast ausschließlich Horizontalachser zum Einsatz.<ref name="Halbhuber" /><ref name="Gasch" />

Die Einsatzgebiete für Vertikalachser, insbesondere Widerstandsläufer, liegen vorwiegend in Bereichen, wo nur eine vergleichsweise geringe Leistung benötigt wird, und wo die Vorteile, insbesondere die einfache Bauweise und die Unempfindlichkeit, überwiegen.<ref name="Halbhuber" /> Da sie mit vergleichsweise einfachen Mitteln hergestellt werden können, werden sie häufig im Selbstbau für den Heimbereich genutzt.

Als [[Windgenerator]] zur [[Stromerzeugung]] kommen Vertikalachsrotoren vorwiegend zur Versorgung von [[Inselnetz]]en oder [[Inselanlage|-anlagen]], zum Laden von [[Akku]]s oder als [[Heizmühle|Windenergieheizung]] zum Einsatz. Selten wird eine Einspeisung in das öffentliche Netz vorgenommen.<ref name="Halbhuber" />

Als mechanischer Antrieb werden Vertikalachsrotoren manchmal beispielsweise zum Antrieb von [[Pumpwerk]]en für die Be- und Entwässerung verwendet. Verbreitet ist auch die Verwendung in der Heizungs- und Lüftungstechnik zur Verstärkung des [[Naturzug]]es durch [[Lüfter]] mit VAWT-Antrieb, welche auf Dächer oder Kamine aufgesetzt sind.

Auch [[Whirligig]]-Windspielzeuge und windgetriebene [[Kinetische Kunst|kinetische Skulpturen]] weisen häufig eine vertikale Drehachse auf.<ref name="Halbhuber" />

== Analogien zu Wasserturbinen ==
Obwohl bei Wasserturbinen (bis auf wenige Spezialanwendungen wie in Gezeiten-, Meeresströmungs- oder Wellenkraftwerken) die Strömung in ihrer Richtung annähernd konstanter ist und somit das große Argument der Richtungsunabhängigkeit entfällt, werden Querstromturbinen<ref>Anmerkung: Da Wasserströmungen im Gegensatz zu Windströmungen nicht immer horizontal gerichtet sind, ist hier weniger die absolute Ausrichtung der Achse, sondern vielmehr die relative Ausrichtung quer zur Strömungsrichtung entscheidend.</ref> auch als [[Wasserturbine]]n verwendet:
* Klassische [[Wasserrad|Wasserräder]], auch [[Horizontalrad-Wassermühle|Horizontalräder]] sind nur eingeschränkt mit VAWTs vergleichbar, da das Rad nicht quer durchströmt, sondern nur einseitig tangential umströmt wird.
* [[Ossberger-Turbine]]: Wasser-Durchströmturbine
* [[Gorlov-Turbine]]: ähnlich einem verdrillten H-Darrieus-Rotor

== Aktuelle Projekte ==
[[Datei:Agile Wind Power Haldenstein.png|mini|Die Agile Wind Power Versuchsanordnung in Haldenstein 2013]]
Die Schweizer Firma ''Agile Wind Power'' entwickelte eine Vertikalturbine mit Echtzeit-Rotorblatt-Pitch-Steuerung. Damit soll es möglich sein, die Rotorblätter schnell optimal der Windrichtung anzupassen und damit einen besseren Wirkungsgrad als bei den bisherigen Modellen zu erreichen. 
Im Jahr 2011 begannen Tests auf einem Sattelauflieger in [[Dübendorf]]. Eine erste Versuchsanlage beim Bahnhof [[Haldenstein]] knickte im Oktober 2013 während eines [[Alpenföhn|Föhnsturms]].<ref>[https://www.srf.ch/play/tv/redirect/detail/a82aaf95-e157-4bf0-b24d-4025fb07ed6b Testanlage «vertikale Windturbine»], [[Schweiz aktuell]], 9. Oktober 2019 (schweizerdeutsch)</ref><ref>[https://www.suedostschweiz.ch/vermischtes/windanlage-haldenstein-beschaedigt Windanlage Haldenstein beschädigt], [[Südostschweiz (Zeitung)|Südostschweiz]]</ref> Die dortigen Versuche wurden noch zwei Jahre weiter geführt.<ref>[https://www.suedostschweiz.ch/vermischtes/haldensteiner-windturbine-wird-zum-aussichtsturm Haldensteiner Windturbine wird zum Aussichtsturm]</ref> Die Firma gründete in Deutschland eine Niederlassung am [[Flugplatz Lemwerder]], um dort die Rotorenfertigung zu starten. Außerdem wurde auf dem [[Windtestfeld Grevenbroich]] im September 2020 ein erster Prototyp für Tests in Betrieb genommen,<ref>[https://www.agilewindpower.com/de/news/september-2020 Pressemitteilung der Agile Wind Power]</ref> der im November havarierte. Nach genauer Analyse wurden die bestehenden Rotorteile Im Sommer 2021 abgebaut und neue entsprechend modifizierte Teile produziert.<ref>[https://www.agilewindpower.com/download/pictures/f7/nlx38ji61yu9rkqato584fbktwpf7h/awp_medienmitteilung_20210208-1.pdf Schadensursache am Vertical Sky®-Prototyp geklärt, Massnahmen in Umsetzung], Pressemitteilung der Agile Wind Power</ref>

== Literatur ==
* {{Literatur
   |Autor=Winfried Halbhuber
   |Titel=Betrieb von Kleinwindkraftanlagen - Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit
   |Verlag=[[Grin Verlag]]
   |Datum=2010
   |ISBN=3-640-58796-0
   |Online={{Google Buch|BuchID=lwdssiVvsNIC}}}}
* {{Literatur
   |Autor=[[Robert Gasch]]
   |Hrsg=Jochen Twele
   |Titel=Windkraftanlagen: Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb
   |Auflage=8.
   |Verlag=Springer
   |Datum=2013
   |ISBN=3-8348-0693-5
   |Seiten=17
   |Kommentar=insbes. Abschnitt 2.1 ''Windräder mit vertikaler Achse'', S.&nbsp;17–19}}

== Weblinks ==
{{Commonscat|Vertical-axis wind turbines|Vertikal-Achsen Windturbinen}}

== Einzelnachweise ==
<references responsive >
<ref name="Gasch">
Gasch, 2010 (siehe Literatur)
</ref>
<ref name="Halbhuber">
Halbhuber, 2009 (siehe Literatur)
</ref>
<ref name="Jäger">
{{Internetquelle
 |autor=Judith Jäger
 |url=http://www.pit.physik.uni-tuebingen.de/studium/Energie_und_Umwelt/ss06/Windenergie2_Grundlagen_wkatypen.pdf
 |titel=Windkraftanlagen
 |titelerg=Windenergie: Physikalische Grundlage und verschiedene WKA-Typen. Vortrag.
 |hrsg=Physikalisches Institut der Universität Tübingen
 |datum=2006-08-23
 |archiv-url=https://web.archive.org/web/20070610013731/http://www.pit.physik.uni-tuebingen.de/studium/Energie_und_Umwelt/ss06/Windenergie2_Grundlagen_wkatypen.pdf
 |archiv-datum=2007-06-10
 |abruf=2011-08-04
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<ref name="Tropea">
{{Internetquelle
 |autor=C. Tropea
 |url=https://www.yumpu.com/de/document/view/8958322/windturbinen-vorlesung-aerodynamik-i-c-tropea-tropea-sla
 |titel=Windturbinen
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 |hrsg=Technische Universität Darmstadt, Fachbereich Maschinenbau, Fachgebiet Strömungslehre und Aerodynamik
 |datum=2010-01-07
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</ref>
<ref name="re-focus">{{Literatur
 |Autor=Hannes Riegler
 |Titel=HAWT versus VAWT
 |Sammelwerk=REFOCUS
 |Nummer=(Juli/August)
 |Datum=2003
 |Seiten=44–46
 |Sprache=en
 |Online={{Webarchiv |url=http://www.victordanilochkin.org/research/turbine/papers/HAWT%20versus.pdf |text=Volltext |wayback=20120131192241}}
 |Format=PDF
 |KBytes=
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<ref name="Emmert">
{{Internetquelle
 |autor=Thomas Emmert
 |url=http://www.td.mw.tum.de/tum-td/de/studium/proj_e/Windturbinen.pdf
 |titel=Windturbinen- ein Überblick
 |hrsg=ProjektE, Fakultät Maschinenwesen, TU München
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 |archiv-datum=2004-04-29
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<ref name="Klemm">
{{Literatur
 |Autor=Toni Klemm
 |Titel=Numerische und experimentelle Untersuchungen an Ventilatoren mit hoher Leistungsdichte
 |TitelErg=Dissertation an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Karlsruhe
 |Ort=Karlsruhe
 |Datum=2005
 |Kapitel=Kapitel 8}}
</ref>
</references>

[[Kategorie:Windkraftanlagentyp]]

[[sv:Vindkraftverk#Rotor med vertikal axel]]