A napjainkban kereskedelmi szempontból sikeres, propelleres, vízszintes tengelyű szélturbina (HAWT) története mellett kevésbé ismert a függőleges tengelyű szélturbina (VAWT) története is. Az egykor a szélturbinák tervezésének szabványát meghatározó versenytársnak tekintett VAWT-k egyre szokatlanabb látványossággá váltak. Időről időre azonban még mindig megjelennek nagyüzemi VAWT-prototípusok, mivel megpróbálják meghonosítani a függőleges tengelyű technológiát egy olyan piacon, amelyet teljesen a vízszintes tengelyű gépek uralnak. Ez egy visszatekintő áttekintés a 100 kW-os vagy annál nagyobb teljesítményű turbinákkal rendelkező, nagyüzemi VAWT-projektekről.
Függőleges tengelyű szélturbinákról már a 9. századi Perzsiából vagy akár az i. e. 7. századi afgán felföldről is vannak feljegyzések. Ezek a korai VAWT-k egyszerű, aerodinamikai ellenálláson alapuló berendezések voltak; a turbina egyik oldalát lefedték, és a szél egyszerűen a másik oldal lapátjait tolta. A sokkal hatékonyabb, aerodinamikai felhajtóerőn alapuló VAWT-t Georges Darrieus találta fel Franciaországban még az 1920-as években, szabadalmaztatva mind az ívelt lapátos “tojásverő” VAWT-t (itt egyszerűen Darrieus-turbinának nevezik), mind az egyenes lapátos VAWT-t (itt H-rotornak nevezik). Bár Darrieus maga is számos ívelt és egyenes lapátos kisméretű modellt épített, az első áramtermelő, aerodinamikai felhajtóerőn alapuló VAWT-ket a francia Jean-Baptiste Morel építette, aki az 1950-es években számos egyenes lapátos Darrieus-turbinát épített Dél-Franciaországban, 7 kW-ig terjedően.
A Kanadai Nemzeti Kutatási Tanács (CNCR) kutatói az 1960-as évek közepén újra feltalálták a VAWT-t, nyilvánvalóan nem ismerve a rég elfeledett korábbi francia törekvéseket.
A kanadai kutatásokat az 1970-es években fedezte fel újra a Sandia Nemzeti Laboratórium, amelyet az USA Energiaügyi Minisztériuma a nukleáris fegyverek fejlesztésének fő feladata mellett az alternatív energiaforrások vizsgálatával is megbízott.
A Sandia 1976-ban épített egy 60 kW-os Darrieus-turbinát Albuquerque (NM) közelében, amely akkoriban a valaha épített legnagyobb VAWT volt. Bár a Sandia az 1970-es és 1980-as években az észak-amerikai VAWT-fejlesztési erőfeszítések középpontjában állt, csak egy nagyüzemi méretű (ami alatt itt ≥100 kW-ot értünk) VAWT-t építettek, egy 500 kW-os Darrieus-turbinát, amelyet 1988-ban állítottak fel a texasi Bushlandben. Ez a kísérleti turbina változó fordulatszámú, merevítők nélküli konstrukcióval rendelkezett, és úgy tervezték, hogy a legtöbb alkatrész kutatási célokra megváltoztatható legyen. A merevítők hiánya valószínűleg a fő tényező volt a 0,43-as teljesítmény-együttható (a kimenő elektromos teljesítmény és a bevitt szélenergia aránya) elérésében, ami valószínűleg még mindig rekordnak számít a közüzemi méretű VAWT-k esetében.
North American Darrieus efforts
A CNRC-vel vagy a Sandiával együttműködve vagy azok technológiáját felhasználva több vállalat is megpróbálkozott a Darrieus típusú VAWT-k forgalmazásával az 1970/80-as években.
Kanadában az alumíniumgyártó DAF Indal lett a CNRC-vel együttműködő fő VAWT-gyártó, és 1977-ben megdöntötte a Sandia által egy évvel korábban felállított méretrekordot 230 kW-os Darrieus-turbinájával, amelyet a kanadai Québecben, a Szent Lőrinc-öbölben található Magdalen-szigeten helyeztek üzembe. Ez a turbina arról is híres, hogy bebizonyította, hogy a VAWT-k valóban képesek önindításra. 1978-ban a technikusok a forgórészt éjszakára lekapcsolva hagyták a hajtásláncról, de az éjszakai erős szél miatt a forgórész túlpörgött, aminek következtében meghibásodott az erősítőkötél, és a forgórész végül dugóhúzóval a földre zuhant.
A DAF-Indal 1983-84-ben három 500 kW-os turbinát épített, amelyek lényegében a 230 kW-os turbina nagyobb teljesítményű változatai voltak. Az egyik turbina, amelyet a kaliforniai Palm Springs közelében lévő San Gorgonio Passban helyeztek el, az üzembe helyezés előtti feszültségpróba során összeomlott, és sajnálatos módon a tetején álló mérnök életét vesztette, amikor lezuhant. Egy másik turbina, amely a Prince Edward-szigeten állt, szintén a földre zuhant, miután 1985-ben meghibásodott egy lapát. A DAF-Indal végül 1991-ben leállította VAWT-programját.
A hetvenes évek végén a pittsburghi ALCOA alumíniumipari vállalat a Sandiával kötött technológiaátadási megállapodás keretében VAWT-k kifejlesztésébe kezdett. Az ALCOA számos nagy Darrieus-turbinát épített, köztük három 500 kW-os gépet, amely 1980-ra az addig épített legnagyobb VAWT lett. Az egyik 500 kW-os turbina, amely a San Gorgonio Pass,
CA-ban állt, éppen a Kaliforniai Energia Bizottság 1981-es konferenciája előtt omlott össze a szomszédos Palm Springsben. Egy áramkimaradás következtében a rotor túlpörgött, a lapátok elszabadultak az alsó rögzítésükről, és levágták a rögzítőkábeleket, majd mintegy 300 m távolságra repültek, a turbina pedig a földre zuhant. A tervezett bemutatót természetesen le kellett mondani, de a konferencia során bátran levetítettek egy videót az esetről, amit a közönség állva tapsolt. Végül az ALCOA leállította a VAWT-programját, bár annak egy részét eladták az újonnan alapított VAWTPOWER Inc-nek, amely 1983 és 1984 között 40 turbinát telepített a San Gorgonio-hágóra. Ez a létesítmény, az első igazi VAWT-farm, 1988-tól működött.
Ha VAWT-farmokról van szó, a FloWind jut eszünkbe. A FloWind több mint 500 turbinát telepített a Los Angeles melletti Tehachapi hágóra és a San Francisco-öböl térségében található Altamont hágóra. A 170 kW-os és 200 kW-os modelljeiket 1983 és 1986 között telepítették, és a teljes beépített kapacitás mintegy 95 MW-ot tett ki. Mire az utolsó FloWind-turbinák 2004-ben üzembe álltak, élettartamuk alatt összesen közel 1 TWh villamos energiát termeltek. 2010-re az összes FloWind-turbinát eltávolították, bár a maradványok a Tehachapi-hágó egyik hegygerincénél lévő útzár formájában még megtalálhatók.
1986-ban egy FloWind-19-es turbina katasztrofális meghibásodása következtében az egyik lapát egy szomszédos mérőpótkocsiba zuhant, és megsemmisítette a benne lévő DOE/Sandia számítógépet. Ez volt a vég kezdete, mivel ez elriasztotta a befektetőket, és a FloWind csődbe ment.
A FloWind a többi fent említett Darrieus turbinafejlesztőhöz hasonlóan alumínium lapátokat használt, amelyeket hajlításra terveztek. Mivel az alumínium rosszul bírja a ciklikus igénybevételt, ez fáradás okozta meghibásodásokhoz vezetett. E problémák miatt a FloWind-turbináknak több leállási ideje volt, mint a Kaliforniában ugyanebben az időben telepített vízszintes tengelyű szélturbináknak. Az 1990-es évek elején végrehajtott átszervezés után két üvegszálas lapátos prototípust építettek, de ez túl kevésnek bizonyult, és az egyik üvegszálas lapátos turbina nagy szélben összeomlott.
A kanadai Adecon vállalat egy kissé szokatlan Darrieus-turbina-konstrukciót alkalmazott, amely külső rácsszerkezetet alkalmazott a sodronykötelek helyettesítésére. 1984-ben egy 17 méteres, 125 kW-os turbinát építettek a Prince Edward-szigeten. A turbina, amelynek rotorja 17 méterrel a föld felett volt elhelyezve, csak néhány órán át működött, mielőtt túlpörgött és tönkrement.
Az Adecon egy átszervezést követően tíz 150 kW-os turbinát telepített az albertai Pincher Creek közelében. Ezekből a turbinákból hiányzott a rotor tartóváza, de mégis rácsos árbocokat használtak sodronykábelek helyett. A rácsos árbocok rezonanciát idéztek elő, ami az alkatrészek meghibásodásához vezetett. Ezek miatt két turbina felborult, a többi turbina pedig az idő nagy részében nem működött. 2006-ra mind a tíz turbinát eltávolították.
Meg kell említeni a hatalmas ÉOLE-t (franciául Aeolus, a görög mitológiában a szél uralkodója), amely 1987-ben készült el, és a Québecben, a Saint Lawrence folyó déli partján, Cap-Chatban található. A 110 m-es teljes magasságával, 880 tonnás forgó tömegével és 3,8 MW névleges teljesítményével az ÉOLE minden korábbi rekordot megdöntött, és még mindig messze a valaha épített legnagyobb VAWT.
Ez az acéllapátos, változó fordulatszámú monstrum 1993-ig működött, amikor az alsó csapágy eltörött. Örömmel jelenthetjük, hogy az ÉOLE még mindig áll, és nyáron vezetett túrákat tart. A látogatás erősen ajánlott: Az ÉOLE a szélenergia rajongói számára legenda, a gyönyörű Gaspé-félsziget pedig összességében nagyszerű hely. Kényelmes, hogy a tárlatvezetést angol nyelven is el lehet végezni, és ha néhány dollár felárat fizetünk, fel lehet jutni az ÈOLE legfelső platformjára, ahonnan a kilátás lenyűgöző.
Voltak más közüzemi méretű Darrieus-turbinák is, még Európában is épült néhány az 1980-as években. De a komoly próbálkozások egyre ritkábbak lettek. A lapátok fáradásával kapcsolatos problémák, a sík terep szükségessége a tartókötelek rögzítéséhez, valamint a rotornak a talajhoz való ilyen közeli elhelyezéséből eredő hátrányok mind-mind okai voltak annak, hogy a Darrieus “tojásverő” nem tudott a HAWT-k versenytársaként érvényesülni.
Eközben Európában
Az észak-amerikai Darrieus fejlesztésekkel részben átfedésben Európában is vizsgálták a VAWT-ket, de itt a legnagyobb hangsúlyt a H-rotoros koncepcióra helyezték, amely a hagyományos Darrieus-turbinához képest bizonyos előnyökkel rendelkezik. A legfontosabb, hogy általában egy szabadon álló torony tetején helyezik el, ami magasabbá teszi a rotorokat, és szükségtelenné teszi az erősítő kábeleket.
A legismertebb és talán legambiciózusabb európai VAWT-projekt a brit VAWT Ltd. által az 1980-as/90-es években megvalósított projekt volt, amely a Peter Musgrove által az angliai Readingi Egyetemen vezetett kutatásból indult ki.
A VAWT Ltd. koncepciója kezdetben változó geometriájú volt, ami lehetővé tette a lapátok hajtogatását a teljesítmény szabályozása érdekében. De miután kiértékeltek egy 130 kW-os, változó geometriájú turbinát, amelyet 1986-ban állítottak fel a walesi Carmarthen-öbölben, úgy ítélték meg, hogy a teljesítmény ugyanolyan jól szabályozható fix, egyenes lapátokkal is. Így az ezt követő, 1990-ben felállított 500 kW-os prototípus egyenes lapátokkal rendelkezett. Ez a turbina több, a teljesítményátvitellel kapcsolatos meghibásodást szenvedett el, és végül az egyik üvegszálas lapát pusztító meghibásodása következett be. Nem sokkal később a kormányzati finanszírozást leállították, és a projekt végül véget ért.
Az 1990-es években Götz Heidelberg német feltaláló és vállalkozó a müncheni székhelyű Heidelberg Motor GmbH vállalatnál egy változó fordulatszámú, PM-mágneses H-rotoros koncepció fejlesztésébe kezdett. Az első nagyméretű (300 kW-os) prototípusukat 1991-ben a német Északi-tenger partján fekvő Kaiser-Wilhelm-Koogban helyezték üzembe. Ez egy földre szerelt generátort használt, és egy felső csapágyhoz csatlakozó, a teljes torony forgását lehetővé tevő (a Darrieus-turbinához hasonlóan) tartókötelekkel volt alátámasztva. A földi generátor elhagyása után öt új, 300 kW-os prototípust fejlesztettek ki, amelyeknél a nagy, többpólusú gyűrűs generátort egy háromlábú torony tetején helyezték el. Miután egy hegesztési probléma miatt az egyik turbina 1995 elején tönkrement, a többi gépet kivonták a forgalomból, és végül 1997-ben leszerelték. Ez vezetett a koncepció 1,2 MW-os változatának EU által finanszírozott fejlesztésének leállításához is, ami egyben e VAWT-törekvés végét is jelentette.
Megemlítendő, hogy a Heidelberg egy kisebb, 20 kW-os, extrém környezetben működő változatát az Antarktiszon működő német kutatási létesítményben helyezte üzembe, amely állítólag 15 évig működött, mielőtt 2008-ban leállították.
Folyamatos erőfeszítések
Ha még a német mérnökök sem tudták a VAWT-ket összefogni, akkor már sejteni lehetett, hogy a koncepciót az 1990-es évek közepe után minden bizonnyal fel kellett adni. Nos, nem így történt, bár egészen 2010-ig kellett várni, hogy megépüljön a következő közüzemi méretű H-rotoros prototípus, ezúttal a svéd Vertical Wind AB által.
2010-ben a svéd nyugati parton fekvő Falkenberg közelében egy 200 kW-os, közvetlen meghajtású, változtatható fordulatszámú prototípust állítottak fel. A laminált fából készült toronnyal és saját gyártású, közvetlen meghajtású, többpólusú PM-generátorral ellátott turbinát főleg mérésekre használták, de még mindig üzemel, bár korlátozott szélsebességgel. A Vertical Wind leállította a fejlesztést, miután 2010-ben elvesztette egyik fő befektetőjét, de még mindig gyárt generátorokat.
Mint ahogy a DAF Indal és az ALCOA VAWT programjai az 1970/80-as években alumíniumgyártók kezdeményezései voltak, úgy a ma is aktív lengyel VAWT vállalat, az Anew Institute is az acélgyártó Stalprodukt SA leányvállalata. Az Anew 2015-ben egy 200 kW-os prototípust, majd 2017-ben egy 1,5 MW-os prototípust állított fel, amely beépített teljesítményét tekintve az ÉOLE, a valaha volt legnagyobb VAWT után a második helyen áll. Nem meglepő módon a konstrukcióhoz a lehető legtöbb acélt használják, de szerencsére legalább a lapátok üvegszálból készültek.
Mi a helyzet az úszó VAWT-kkel?
A lebegő szélturbinákat (például a WindEurope szakmai szövetség) a tengeri szélenergia jelentős bővítésének kulcsfontosságú alaptechnológiájaként azonosították. A VAWT alacsony tömegközéppontja jól kombinálható egy úszó platformmal, és ez újraélesztette az érdeklődést a koncepció iránt, és a 2010-es években számos úszó VAWT-projektet indítottak el.
AODEC, az olaj- és gázipar számára úszó platformokra szakosodott japán vállalat például kifejlesztett egy úszó szél- és árapályáramú hibrid energiatermelő rendszert skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus) néven. A koncepció egy H-rotorból állt a felszín felett és egy Savonius-turbinából, amely az áramlatokat gyűjtötte be a felszín alatt. Az 500 kW-os prototípusuk azonban 2013/14-ben üzembe helyezés közben kétszer is elsüllyedt, és a MODEC felhagyott VAWT-ambícióival.
Az úszó VAWT-k kereskedelmi hasznosítására tett másik kísérletet a francia NENUPHAR vállalat, amely egy több MW-os, ikerturbinás úszó tengeri platform kifejlesztését tűzte ki célul.
Nem telepítettek soha nagy, úszó VAWT-t, de a NENUPHAR 2014-ben a francia Földközi-tenger partján fekvő Fos-sur-Merben telepített egy 600 kW-os szárazföldi prototípust, amelyhez különböző lapátkonfigurációkat teszteltek. A NENUPHAR azonban 2018-ban felszámolás alá került, miután az egyik ipari partner elhagyta.
Még több olyan úszó VAWT-fejlesztést lehetne megemlíteni, amelyek arra törekszenek, hogy hamarosan nagyméretű prototípusokat telepítsenek. Ez a rövid visszatekintés azonban azokra a projektekre korlátozódik, amelyek – a végeredménytől függetlenül – közüzemi méretű függőleges tengelyű turbinák tényleges építését foglalták magukban. Ezért ezeket a “papíralapú” projekteket itt kihagyjuk, de egy későbbi jelentés tárgyát képezhetik.
Az úszós rés újraéled az érdeklődés
Összefoglalva, a szinte kihalófélben lévő függőleges tengelyű szélturbina koncepciója az elmúlt néhány évben újra érdeklődésnek örvendett, különösen az úszó tengeri platformok esetében. A vízszintes tengelyű koncepcióval való versengés, amely technológiailag egyre fejlettebbé vált, mióta az 1980-as években a VAWT-ket mint szélturbina-szabványt legyőzte, egyre nehezebbé vált, de az úszó réspiac lehet az a lehetőség, amelyre a függőleges tengelyű szélturbinák vártak.
A szerzői információk: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()
Az említett VAWT-kről, valamint más, itt nem tárgyalt kisebb VAWT-projektekről további részleteket az alábbi, szabadon hozzáférhető dokumentum tartalmaz: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, “A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above”, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).