Oprócz historii dzisiejszej komercyjnej turbiny wiatrowej o osi poziomej (HAWT), która odniosła sukces komercyjny, istnieje mniej znana historia turbiny wiatrowej o osi pionowej (VAWT). Kiedyś postrzegane jako konkurent w wyznaczaniu standardów projektowania turbin wiatrowych, turbiny VAWT na skalę przemysłową stają się coraz bardziej niezwykłym widokiem. Od czasu do czasu pojawiają się jednak prototypy turbin VAWT, które próbują wprowadzić technologię osi pionowej na rynek całkowicie zdominowany przez maszyny o osi poziomej. Niniejsza publikacja jest retrospektywnym przeglądem projektów VAWT na skalę przemysłową, z turbinami o mocy 100 kW lub większej.
Informacje o turbinach wiatrowych z pionową osią sięgają IX wieku w Persji, a nawet VII wieku p.n.e. na afgańskich wyżynach. Te wczesne VAWT były prostymi urządzeniami opartymi na oporze aerodynamicznym; jedna strona turbiny była zakryta, a wiatr po prostu popychał łopaty po drugiej stronie. O wiele bardziej wydajny VAWT oparty na oporze aerodynamicznym został wynaleziony przez Georgesa Darrieusa we Francji dopiero w latach 20-tych XX wieku, który opatentował zarówno VAWT z zakrzywionymi łopatkami (nazywany turbiną Darrieusa), jak i VAWT z prostymi łopatkami (nazywany wirnikiem H). Chociaż Darrieus sam zbudował kilka małych modeli z zakrzywionymi i prostymi łopatkami, pierwsze produkujące moc, oparte na aerodynamicznym podnoszeniu VAWT zostały skonstruowane przez Francuza Jean-Baptiste Morela, który w latach 50-tych zbudował w południowej Francji kilka turbin Darrieusa z prostymi łopatkami, o mocy do 7 kW.
Badacze z National Research Council of Canada (CNCR) ponownie wynaleźli VAWT w połowie lat 60-tych, najwyraźniej nieświadomi dawno zapomnianych wcześniejszych francuskich przedsięwzięć.
Kanadyjskie badania zostały ponownie odkryte w latach 70. przez Sandia National Laboratories, które oprócz swojej głównej misji, jaką jest rozwój broni jądrowej, otrzymały od Departamentu Energii USA zadanie badania alternatywnych źródeł energii.
Sandia zbudowała w 1976 roku w pobliżu Albuquerque, NM, turbinę Darrieusa o mocy 60 kW, która w tamtym czasie była największą turbiną VAWT, jaką kiedykolwiek zbudowano. W latach 70-tych i 80-tych Sandia była w centrum rozwoju VAWT w Ameryce Północnej, ale zbudowała tylko jeden VAWT na skalę przemysłową (przez co rozumiemy ≥100 kW) – turbinę Darrieusa o mocy 500 kW wzniesioną w 1988 roku w Bushland, TX. Ta eksperymentalna turbina charakteryzowała się zmienną prędkością obrotową, konstrukcją bez rozpór i była tak zaprojektowana, że większość jej części mogła być zmieniona dla celów badawczych. Brak rozpórek był prawdopodobnie głównym czynnikiem, który przyczynił się do osiągnięcia współczynnika mocy (stosunek mocy elektrycznej do energii wejściowej wiatru) 0,43, który najprawdopodobniej nadal jest rekordem dla turbin VAWT o rozmiarach użytkowych.
Północnoamerykańskie próby Darrieusa
W latach 70-tych/80-tych kilka korporacji, współpracując z CNRC lub Sandia, lub wykorzystując ich technologię, rozpoczęło próby komercjalizacji turbin VAWT typu Darrieus.
W Kanadzie, producent aluminium DAF Indal stał się głównym współpracownikiem CNRC i w 1977 roku pobił rekord wielkości ustanowiony rok wcześniej przez Sandię, instalując turbinę Darrieusa o mocy 230 kW na Wyspie Magdalen w Zatoce Świętego Wawrzyńca w Quebec w Kanadzie. Turbina ta zasłynęła również jako dowód na to, że turbiny VAWT rzeczywiście mogą się samoczynnie uruchamiać. W 1978 roku technicy pozostawili wirnik odłączony od układu napędowego na noc, ale silny wiatr w nocy spowodował, że wirnik zaczął pracować z nadmierną prędkością, co doprowadziło do uszkodzenia odciągów i wirnika, który ostatecznie sam spadł na ziemię.
W latach 1983-84 firma DAF-Indal zbudowała trzy turbiny o mocy 500 kW, które w zasadzie były wersjami turbiny 230 kW o wyższych parametrach. Jedna z nich, umieszczona w przełęczy San Gorgonio Pass w pobliżu Palm Springs w Kalifornii, zawaliła się podczas testu naprężenia przed uruchomieniem, niestety pozbawiając życia inżyniera stojącego na jej szczycie. Inna z turbin, która znajdowała się na Wyspie Księcia Edwarda, również runęła na ziemię po awarii łopatki w 1985 roku. DAF- Indal ostatecznie wstrzymał swój program VAWT w 1991 roku.
Pod koniec lat 70-tych firma ALCOA z siedzibą w Pittsburghu rozpoczęła rozwój VAWT w ramach umowy o transferze technologii z Sandia. ALCOA zbudowała kilka dużych turbin Darrieusa, w tym trzy maszyny o mocy 500 kW, które w 1980 roku stały się największymi turbinami VAWT zbudowanymi do tej pory. Jedna z turbin o mocy 500 kW, znajdująca się w przełęczy San Gorgonio, zawaliła się tuż przed konferencją Kalifornijskiej Komisji Energetycznej w 1981 roku w sąsiednim Palm Springs. W wyniku przerwy w dostawie energii elektrycznej wirnik przekroczył prędkość, a łopaty oderwały się od dolnego mocowania i odcięły liny odciągowe, po czym odleciały na odległość około 300 m, a turbina spadła na ziemię. Naturalnie, planowana demonstracja musiała zostać odwołana, ale odważnie, film z tego zdarzenia został pokazany podczas konferencji, otrzymując owację na stojąco od publiczności. Ostatecznie ALCOA anulowała swój program VAWT, chociaż jego część została sprzedana nowo powstałej firmie VAWTPOWER Inc, która w latach 1983-1984 zainstalowała 40 turbin na przełęczy San Gorgonio. Ten obiekt, pierwsza prawdziwa farma VAWT, działał już od 1988 roku.
Jeśli chodzi o farmy VAWT, na myśl przychodzi FloWind. FloWind zainstalował ponad 500 turbin w Tehachapi Pass w pobliżu Los Angeles i Altamont Pass w rejonie Zatoki San Francisco. Ich modele o mocy 170 kW i 200 kW zostały zainstalowane w latach 1983-1986, a łączna moc zainstalowana wynosiła około 95 MW. Do czasu uruchomienia ostatniej turbiny FloWind w 2004 roku, wyprodukowały one łącznie prawie 1 TWh energii elektrycznej w ciągu swojego życia. Do 2010 roku wszystkie turbiny FloWind zostały usunięte, choć pozostałości po nich można znaleźć w postaci bariery drogowej na przełęczy Tehachapi.
W 1986 roku turbina FloWind-19 uległa katastrofalnej awarii, która wyrzuciła łopatę w sąsiednią przyczepę pomiarową, niszcząc znajdujący się w niej komputer DOE/Sandia. To był początek końca, ponieważ odstraszyło to inwestorów i FloWind zbankrutował.
Wspólnie z innymi wyżej wymienionymi konstruktorami turbin Darrieusa, FloWind użył aluminiowych łopatek, które zostały zaprojektowane tak, aby się wyginały. Ze względu na słabą zdolność aluminium do wytrzymywania cyklicznych naprężeń, prowadziło to do awarii spowodowanych zmęczeniem materiału. Problemy te powodowały, że turbiny FloWind miały więcej przestojów niż turbiny wiatrowe o osi poziomej instalowane w tym samym czasie w Kalifornii. Po reorganizacji na początku lat 90-tych zbudowano dwa prototypy z łopatkami z włókna szklanego, ale okazało się, że to za mało i za późno, a jedna z turbin z łopatkami z włókna szklanego zawaliła się podczas silnego wiatru.
Niezwykły projekt turbiny Darrieusa został zastosowany przez kanadyjską firmę Adecon, która zastosowała zewnętrzną ramę kratową, aby zastąpić liny odciągowe. W 1984 roku zbudowała ona na Wyspie Księcia Edwarda turbinę o wysokości 17 m i mocy 125 kW. Turbina, której wirnik umieszczony był 17 m nad ziemią, pracowała tylko przez kilka godzin, zanim przekroczyła prędkość i zniszczyła się.
Po reorganizacji Adecon zainstalował dziesięć turbin o mocy 150 kW w pobliżu Pincher Creek w Albercie. Turbiny te nie posiadały ramy nośnej wirnika, ale nadal używały masztów kratowych zamiast linek. Maszty kratowe wywoływały rezonanse, które powodowały awarie komponentów. Spowodowało to przewrócenie się dwóch turbin, a większość pozostałych nie działała przez większość czasu. Do 2006 roku wszystkie dziesięć turbin zostało usuniętych.
Należy wspomnieć o potężnej ÉOLE (po francusku Aeolus, władca wiatru z mitologii greckiej), która została ukończona w 1987 roku i znajduje się w Cap-Chat, na południowym brzegu rzeki Saint Lawrence w Quebecu. Z całkowitą wysokością 110 m, masą obrotową 880 ton i mocą znamionową 3,8 MW, ÉOLE pobił wszystkie poprzednie rekordy i nadal jest zdecydowanie największym VAWT, jaki kiedykolwiek zbudowano.
Ten stalowo-łopatkowy potwór o zmiennej prędkości pracował do 1993 roku, kiedy to pękło dolne łożysko. Z przyjemnością informujemy, że ÉOLE nadal stoi i w lecie organizuje wycieczki z przewodnikiem. Gorąco polecamy wizytę: ÉOLE jest legendą dla entuzjastów energii wiatrowej, a piękny Półwysep Gaspé jest ogólnie wspaniałym miejscem. Dogodnie, istnieje możliwość oprowadzenia wycieczki w języku angielskim, a jeśli zapłacisz kilka dodatkowych dolarów, możesz zostać zabrany na górną platformę ÈOLE, skąd rozciąga się spektakularny widok.
Były już inne turbiny Darrieusa na skalę przemysłową, nawet kilka zbudowanych w Europie w latach 80-tych. Jednak poważne próby stają się coraz rzadsze. Problemy ze zmęczeniem łopatek, konieczność zapewnienia płaskiego terenu do zamocowania przewodów odciągowych oraz wady wynikające z umieszczenia wirnika tak blisko ziemi sprawiły, że „ubijacz jajek” Darrieusa nie stał się konkurentem dla turbin HAWT.
W międzyczasie w Europie
Częściowo nakładając się na rozwój Darrieusa w Ameryce Północnej, VAWT były również badane w Europie, ale tutaj większość uwagi skupiono na koncepcji wirnika H, który ma pewne zalety w porównaniu z konwencjonalną turbiną Darrieusa. Najbardziej znanym i być może najbardziej ambitnym europejskim projektem VAWT był projekt realizowany przez brytyjską firmę VAWT Ltd w latach 80-tych/90-tych, który powstał w wyniku badań prowadzonych przez Petera Musgrove’a z Reading University w Wielkiej Brytanii.
Początkowo koncepcja VAWT Ltd charakteryzowała się zmienną geometrią, która umożliwiała składanie łopatek w celu regulacji mocy. Jednak po dokonaniu oceny turbiny o mocy 130 kW o zmiennej geometrii, zbudowanej w 1986 roku w zatoce Carmarthen w Walii, uznano, że moc może być równie dobrze kontrolowana przez przeciągnięcie za pomocą stałych, prostych łopatek. Dlatego też kolejny prototyp o mocy 500 kW, zbudowany w 1990 roku, miał proste łopatki. Turbina ta uległa kilku awariom związanym z przeniesieniem napędu, a w końcu z niszczącą awarią jednej z łopat z włókna szklanego. Wkrótce potem rząd wstrzymał finansowanie i projekt został ostatecznie zakończony.
W latach 90. niemiecki wynalazca i przedsiębiorca Götz Heidelberg rozpoczął prace nad koncepcją wirnika H z magnesami PM o zmiennej prędkości obrotowej w monachijskiej firmie Heidelberg Motor GmbH. W 1991 roku w Kaiser-Wilhelm-Koog na niemieckim wybrzeżu Morza Północnego zainstalowano pierwszy prototyp o dużej mocy (300 kW). Wykorzystywał on generator zamontowany na ziemi i był podtrzymywany przez liny odciągowe połączone z górnym łożyskiem, dzięki czemu cała wieża mogła się obracać (podobnie jak turbina Darrieusa). Po porzuceniu naziemnego generatora powstało pięć nowych prototypów o mocy 300 kW, w których duży wielobiegunowy generator pierścieniowy umieszczony był na szczycie trójnożnej wieży. Po tym jak na początku 1995 roku jedna z turbin uległa zniszczeniu w wyniku problemów ze spawaniem, pozostałe maszyny zostały wycofane z eksploatacji i ostatecznie zdemontowane w 1997 roku. Doprowadziło to również do zaniechania finansowanych przez UE prac nad wersją o mocy 1,2 MW i na tym również zakończyło się przedsięwzięcie VAWT.
Warto wspomnieć, że Heidelberg zainstalował swoją mniejszą, 20 kW wersję przeznaczoną do pracy w ekstremalnych warunkach w niemieckim ośrodku badawczym na Antarktydzie, która podobno działała przez 15 lat, zanim została wycofana z eksploatacji w 2008 roku.
Ciągłe wysiłki
Jeśli nawet niemiecka inżynieria nie była w stanie sprawić, by VAWT trzymały się razem, można było przypuszczać, że koncepcja ta musiała zostać porzucona po połowie lat 90-tych. Tak się jednak nie stało, choć dopiero w 2010 roku zbudowano kolejny prototyp wirnika typu H na skalę przemysłową, tym razem przez szwedzką firmę Vertical Wind AB.
W 2010 roku w pobliżu miejscowości Falkenberg na zachodnim wybrzeżu Szwecji powstał prototyp o mocy 200 kW z napędem bezpośrednim i zmienną prędkością obrotową. Turbina, wyposażona w wieżę z drewna klejonego i własnej produkcji wielobiegunowy generator PM z napędem bezpośrednim, była wykorzystywana głównie do pomiarów, ale nadal działa, choć z ograniczoną prędkością wiatru. Vertical Wind wstrzymał swój rozwój po utracie kluczowego inwestora w 2010 roku, ale nadal produkuje generatory.
Podobnie jak programy DAF Indal i ALCOA VAWT z lat 70-tych/80-tych były inicjatywami producentów aluminium, polska firma Anew Institute, która działa do dziś, jest spółką zależną producenta stali Stalprodukt SA. W 2015 r. Anew zbudował prototyp o mocy 200 kW, a w 2017 r. prototyp o mocy 1,5 MW, który pod względem mocy zainstalowanej nie ustępuje tylko ÉOLE, największemu VAWT w historii. Nie dziwi więc fakt, że do jego budowy użyto tak dużo stali, jak to tylko możliwe, ale na szczęście łopaty są wykonane z włókna szklanego.
Co z pływającymi VAWT?
Pływające turbiny wiatrowe zostały (np. przez stowarzyszenie branżowe WindEurope) uznane za kluczową technologię umożliwiającą rozwój morskiej energetyki wiatrowej. Niski środek masy turbiny VAWT dobrze współgra z pływającą platformą, co spowodowało ożywienie zainteresowania tą koncepcją, a w 2010 roku rozpoczęto realizację kilku pływających projektów VAWT.
MODEC, japońska firma specjalizująca się w pływających platformach dla przemysłu naftowego i gazowego, opracowała na przykład pływający hybrydowy system wytwarzania energii elektrycznej z wiatru i prądu pływowego o nazwie skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). Koncepcja składała się z wirnika H na powierzchni i turbiny Savoniusa zbierającej prądy pod powierzchnią. Jednak ich prototyp o mocy 500 kW dwukrotnie zatonął podczas uruchamiania w latach 2013/14 i MODEC porzucił swoje ambicje w zakresie VAWT.
Inną próbę komercjalizacji pływających VAWT podjęła francuska firma NENUPHAR, której celem było opracowanie pływającej platformy morskiej o mocy wielu MW z dwiema turbinami.
Żaden duży, pływający VAWT nie został nigdy wdrożony, ale NENUPHAR zainstalował prototyp lądowy o mocy 600 kW w Fos-sur-Mer na francuskim wybrzeżu Morza Śródziemnego w 2014 r., dla którego testowano różne konfiguracje łopat. Jednak w 2018 r. firma NENUPHAR weszła w stan likwidacji po porzuceniu przez partnera przemysłowego.
Można by wymienić kilka innych pływających wysiłków na rzecz rozwoju VAWT, które aspirują do tego, by wkrótce wdrożyć duże prototypy. Ta krótka retrospekcja ogranicza się jednak do projektów, które niezależnie od ostatecznego wyniku obejmowały faktyczną budowę turbin o osi pionowej na skalę przemysłową. Tak więc te „papierowe” projekty zostały tu pominięte, ale mogą być przedmiotem przyszłego raportu.
Pływająca nisza ożywia zainteresowanie
Podsumowując, koncepcja turbiny wiatrowej o osi pionowej, z niemal wymarłej, cieszy się w ostatnich kilku latach ponownym zainteresowaniem, szczególnie w przypadku pływających platform morskich. Konkurowanie z koncepcją osi poziomej, która staje się coraz bardziej rozwinięta technologicznie od czasu pokonania VAWT jako standardu dla turbin wiatrowych w latach 80-tych, staje się coraz trudniejsze, ale pływający rynek niszowy może być szansą, na którą czekały turbiny wiatrowe o osi pionowej.
Informacje o autorze: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sweden ()
W celu uzyskania bardziej szczegółowych informacji na temat wspomnianych VAWT, jak również innych mniejszych projektów VAWT, które nie zostały tutaj uwzględnione, poniższa praca jest dostępna w otwartym dostępie: 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).