VAWT

Verticale as wind turbines zijn te onderscheiden naar weerstandsturbines en aërodynamische windturbines. Het grote verschil tussen beide types het aërodynamische rendement. De fysicus Betz heeft aangetoond dat het maximale theoretische rendement van een aërodynamische windturbine 59 % is en dat van weerstandsturbines 19%.
Weerstandsturbines, veelal aangeduid met de naam Savonius rotoren onttrekken hun energie aan de wind in de richting van de wind. Het zijn langzaam lopers; het met de wind meelopende blad heeft een snelheid die altijd lager is dan de windsnelheid en het ‘tegenlopende blad’ heeft een ‘luchtsnelheid’ van hooguit tweemaal de windsnelheid. Vanwege die lage snelheid wordt verwacht dat hun geluidsproductie laag is. Omdat het rendement van deze weerstandsturbines hooguit 1/3 is van dat van aërodynamische turbines moeten ze -om evenveel energie op te wekken een ca. 3x groter oppervlak hebben en de geluidsproductie van een in de lucht bewegend object is een functie van zowel snelheid als afmetingen.
Aërodynamische turbines onttrekken de energie haaks op de wind; hun bladsnelheid is een veelvoud van de windsnelheid.

Oude modellen van weerstandsturbines.


De eerste aërodynamische verticale as windturbine is ontworpen door de Fransman Georges Darrieus en werd in 1927 gepatenteerd. Het werkingsprincipe laat zich begrijpen vanuit het gegeven dat de bladsnelheid een veelvoud van de windsnelheid is. Het blad ondervindt daardoor een windstroming die – met een beperkte hoekafwijking – altijd van voren komt, zoals een fietser die hard genoeg fietst altijd tegenwind ervaart. De werkelijke wind gecombineerd met de gegenereerde tegenwind leidt tot de ‘schijnbare wind’ en dat is de wind die een bewegend lichaam ervaart. De stroming langs het blad levert een ‘lift’-kracht op, loodrecht op de stroming. Bij een invalshoek ongelijk aan nul heeft de liftkracht een voorwaartse component die de turbine aandrijft. Omdat die kracht pas optreedt bij een invalshoek van de wind op het blad van maximaal 20 graden een hoek die pas bereikt wordt bij een voldoend hoge bladsnelheid kan een Darrieus turbine niet zelf starten; hij moet worden gestart. Tegenover dit nadeel staat als voordeel van de verticale as turbine dat een systeem om de turbine op de wind te houden (kruisysteem) overbodig is; het is totaal onverschillig van welke kant de wind komt: de rotor staat immers altijd goed. Dat voordeel compenseert ruimschoots het nadeel van het niet zelf startend zijn.

De Darrieus turbine

De verticale as turbine van Darrieus.

Dat komt door een aantal minder plezierige eigenschappen. De oorspronkelijke Darrieus turbine trilt hevig, maakt veel lawaai en heeft een relatief laag rendement. Die slechte eigenschappen zijn een gevolg van de vormgeving van het blad. De bladen beginnen onderaan de as, buigen ver naar buiten en vervolgens aan de bovenzijde weer terug naar het blad. Een slimme vorm omdat in het blad uitsluitend trekkrachten optreden waardoor het profiel eenvoudig voldoende sterk te maken is. Evenwel met het nadeel, dat de stroming om het blad varieert naarmate de het blad verder van de as afkomt. De zelf gegenereerde tegenwind neemt toe met toenemende afstand tot de as. Nabij de as is die eigen snelheid laag en het effect van de wind groot; de invalshoek zal op delen van de omwenteling de maximaal toegestane 20 graden overschrijden. Het stromingspatroon rond het blad wordt turbulent en de liftkracht valt weg. Er ontstaan sterk wisselende krachten op het blad waardoor het blad gaat vibreren. In de bocht van het blad is de snelheid hoog, waardoor de invalshoek nagenoeg nul wordt en dus de voorwaartse component van de liftkracht ook. Er wordt veel lawaai, maar weinig energie gemaakt. Ziedaar de verklaring voor de eigenschappen van de Darrieus turbine.

Waarom is de Darrieus turbine dan nooit een succes geworden?

Van Darrieus naar Turby

Nadat het Turby team deze verklaring voor de nadelen van de Darrieus had gevonden was de richting waarin de ontwikkeling van een betere verticale as windturbine moest gaan duidelijk.
De afstand tussen blad en as moest over de hele bladlengte gelijk zijn zodat de invalshoek van de schijnbare wind overal gelijk zou zijn. Daarmee zou worden voorkomen dat de stroming om het blad turbulent werd (overtrek) met trillingen als gevolg en nergens bereikt het blad een zo hoge snelheid dat de voorwaartse component van de liftkracht nul wordt. Over de hele lengte ondervindt het blad een aandrijvende kracht. Het eenvoudigst zou zijn geweest de rechte balden parallel aan de as te nemen, maar tweemaal per omwenteling vindt een omslag van de windinvalshoek op het blad plaats. Om te voorkomen dat daardoor trillingen zouden ontstaan is ervoor gekozen de bladen over een kleine hoek te verdraaien naar een helix vorm. Om die bladen te kunnen maken met voldoende vormvastheid en sterkte moest de meest moderne technologie uit de kast worden gehaald. Alleen een constructie van koolstof-epoxy composite is daarvoor geschikt.
Tests hebben bewezen dat Turby trillingvrij, geluidsarm en met een hoog rendement functioneert. De schuinstaande bladen hebben een extra voordeel dat in de stedelijke omgeving goed van pas komt: daardoor kan Turby schuin van onder aanstromende wind benutten. Ook dat is met onderzoek aangetoond.

Lees hier meer over in de brochure.