Vad hände med vindturbinen med vertikal axel?

Det finns uppgifter om vindkraftverk med vertikal axel så långt tillbaka som till Persien på 800-talet eller till och med till det afghanska höglandet på 700-talet f.Kr. Dessa tidiga VAWT:er var enkla anordningar baserade på aerodynamiskt motstånd; den ena sidan av turbinen var täckt och vinden tryckte helt enkelt på bladen på den andra sidan. Den mycket effektivare VAWT som bygger på aerodynamisk lyftkraft uppfanns
av Georges Darrieus i Frankrike så sent som på 1920-talet, som patenterade både VAWT med böjda blad (här helt enkelt kallad Darrieus-turbinen) och VAWT med raka blad (här kallad H-rotor). Även om Darrieus själv byggde ett antal småskaliga modeller med både böjda och raka blad, konstruerades de första kraftproducerande, aerodynamiska lyftbaserade VAWT:erna av fransmannen Jean-Baptiste Morel, som på 1950-talet byggde ett antal Darrieus-turbiner med raka blad, med en effekt på upp till 7 kW, i södra Frankrike.

Forskare vid Kanadas nationella forskningsråd (CNCR) uppfann VAWT:n på nytt i mitten av 1960-talet, uppenbarligen ovetande om de sedan länge bortglömda tidigare franska ansträngningarna.

Den kanadensiska forskningen återupptäcktes på 1970-talet av Sandia National Laboratories, som vid sidan av sitt huvuduppdrag att utveckla kärnvapen hade fått i uppdrag av det amerikanska energidepartementet att utreda alternativa energiresurser.

Sandia byggde 1976 en Darrieus-turbin med en effekt på 60 kW i närheten av Albuquerque i Nordamerikas Nordvästra USA, som vid den tiden blev den största VAWT som någonsin byggts. Även om Sandia stod i centrum för den nordamerikanska VAWT-utvecklingen under 1970- och 1980-talen byggde de endast en VAWT i stor skala (med vilket vi här menar ≥100 kW), en Darrieus-turbin på 500 kW som uppfördes 1988 i Bushland, TX. Denna experimentella turbin hade variabelt varvtal, en konstruktion utan stöttor och var utformad så att de flesta delar kunde ändras för forskningsändamål. Avsaknaden av stöttor var förmodligen den viktigaste faktorn för att uppnå en effektkoefficient (förhållandet mellan elektrisk effekt och tillförd vindenergi) på 0,43, vilket troligen fortfarande är rekord för VAWT:er i storleksordning för allmännyttiga företag.

Nordamerikanska Darrieus-ansträngningar

I samarbete med, eller med hjälp av teknik från CNRC eller Sandia, började flera företag att försöka kommersialisera VAWT:er av Darrieus-typ under 1970- och 1980-talen.

I Kanada hade aluminiumtillverkaren DAF Indal blivit den främsta VAWT-samarbetaren med CNRC och 1977 slog de det storleksrekord som Sandia satt året innan med sin Darrieus-turbin på 230 kW, som installerades på Magdalen Island i Saint Lawrencebukten i Quebec, Kanada. Denna turbin är också känd för att den bevisade att VAWT:er faktiskt kan vara självstartande. År 1978 lämnade teknikerna rotorn frikopplad från drivlinan över natten, men kraftiga vindar under natten fick rotorn att gå i överhastighet, vilket resulterade i att en stagtråd gick sönder och att rotorn i slutändan skruvade sig själv till marken.

Under 1983-84 byggde DAF-Indal tre turbiner med en effekt på 500 kW, som i princip var högre klassade versioner av turbinen med en effekt på 230 kW. En av turbinerna, som placerades i San Gorgonio-passet nära Palm Springs, Kalifornien, kollapsade under ett test av spänningen före idrifttagningen och tog tyvärr livet av en ingenjör som stod ovanpå turbinen när den föll. En annan av turbinerna, som stod på Prince Edward Island, föll också till marken efter ett bladfel 1985. DAF-Indal stoppade slutligen sitt VAWT-program 1991.

I slutet av 1970-talet började det Pittsburgh, PA, baserade aluminiumföretaget ALCOA att utveckla VAWT:er inom ramen för ett avtal om tekniköverföring med Sandia. ALCOA byggde ett antal stora Darrieus-turbiner, bland annat tre 500 kW-maskiner, som 1980 blev den största VAWT som hittills byggts. En av turbinerna på 500 kW, som stod i San Gorgonio-passet,
CA, kollapsade strax före konferensen för Kaliforniens energikommission 1981 i det intilliggande Palm Springs. Ett strömavbrott resulterade i att rotorn fick för hög hastighet och att bladen lossnade från sin nedre infästning och skar av staglinorna innan de flög iväg på ett avstånd av cirka 300 meter och turbinen föll till marken. Den planerade demonstrationen fick naturligtvis ställas in, men i stället visades en video av händelsen under konferensen, och publiken fick stående ovationer. I slutändan ställde ALCOA in sitt VAWT-program, även om delar av det såldes till nybildade VAWTPOWER Inc, som installerade 40 turbiner i San Gorgonio-passet mellan 1983 och 1984. Denna anläggning, den första riktiga VAWT-anläggningen, var i drift 1988.

När det gäller VAWT-anläggningar kommer man att tänka på FloWind. FloWind installerade mer än 500 turbiner i Tehachapipasset nära Los Angeles och Altamontpasset i San Francisco Bay-området. Deras 170 kW- och 200 kW-modeller installerades mellan 1983 och 1986 och den totala installerade kapaciteten uppgick till cirka 95 MW. När de sista FloWind-turbinerna togs i drift 2004 hade de producerat nästan 1 TWh el under sin livstid. År 2010 hade alla FloWind-turbiner tagits bort, även om rester finns kvar i form av en vägbarriär vid en bergskamspassage i Tehachapipasset.

År 1986 hade en FloWind-19 ett katastrofalt fel som kastade ett blad in i en intilliggande mätsläpvagn och förstörde DOE/Sandia-datorn som fanns i den. Detta var början på slutet eftersom detta skrämde bort investerare och FloWind gick i konkurs.

I likhet med de andra ovan nämnda Darrieus-turbinutvecklarna använde FloWind aluminiumblad, som var utformade för att böjas. På grund av aluminiumets dåliga förmåga att motstå cykliska påfrestningar ledde detta till utmattningsrelaterade fel. Dessa problem ledde till att FloWind-turbinerna drabbades av fler driftstopp än de vindkraftverk med horisontell axel som installerades i Kalifornien vid samma tidpunkt. Efter en omorganisation i början av 1990-talet byggdes två prototyper med glasfiberblad, men detta visade sig vara för lite och för sent, och en av turbinerna med glasfiberblad kollapsade under kraftiga vindar.

En något ovanlig Darrieus-turbinkonstruktion användes av det kanadensiska företaget Adecon, som använde sig av ett externt fackverksramverk för att ersätta spännkablarna. År 1984 byggde de en 17 m lång turbin på 125 kW på Prince Edward Island. Turbinen, vars rotor var placerad 17 m över marken, fungerade bara i några timmar innan den överdrev och förstörde sig själv.

Efter en omorganisation installerade Adecon tio 150 kW-turbiner nära Pincher Creek i Alberta. Dessa turbiner saknade stödram för rotorn, men använde ändå fackverksmaster i stället för stagkablar. Gittermasterna framkallade resonanser, vilket resulterade i komponentfel. Detta ledde till att två av turbinerna välte och att de flesta av de andra turbinerna inte var funktionsdugliga under större delen av tiden. År 2006 hade alla tio turbinerna tagits bort.

Ett måste nämnas är det mäktiga ÉOLE (franska för Aeolus, vindens härskare i den grekiska mytologin), som färdigställdes 1987 och ligger i Cap-Chat, på södra stranden av Saint Lawrence-floden i Quebec. Med en totalhöjd på 110 meter, en roterande massa på 880 ton och en nominell effekt på 3,8 MW slog ÉOLE alla tidigare rekord och är fortfarande den överlägset största VAWT som någonsin byggts.

Detta stålbladiga monster med variabelt varvtal fungerade fram till 1993, då bottenlagret gick sönder. Det är glädjande att rapportera att ÉOLE fortfarande står kvar och att den står värd för guidade turer under sommaren. Ett besök rekommenderas starkt: ÉOLE är en legend för vindkraftsentusiaster och den vackra Gaspéhalvön är en fantastisk plats överlag. Bekvämt nog är det möjligt att få den guidade turen utförd på engelska och om du betalar några extra dollar kan du bli förd till ÈOLE:s högsta plattform från vilken utsikten är spektakulär.

Det har funnits andra Darrieus-turbiner i stor skala för allmännyttiga ändamål, till och med några som byggdes i Europa under 1980-talet. Men seriösa försök har blivit alltmer sällsynta. Problemen med utmattning av bladen, behovet av en plan terräng för att kunna fästa spännlinor och nackdelarna med att ha rotorn så nära marken var alla anledningar till att Darrieus ”egg beater” misslyckades med att etablera sig som en konkurrent till HAWT:erna.

Under tiden i Europa

Delvis överlappande med den nordamerikanska Darrieus-utvecklingen undersöktes VAWT:er också i Europa, men här lades mest fokus på H-rotor-konceptet, som har vissa fördelar jämfört med den konventionella Darrieus-turbinen. Det viktigaste är att den vanligen placeras på ett fristående torn, vilket gör rotorn högre och gör det onödigt med stagkablar.

Det mest välkända och kanske mest ambitiösa europeiska VAWT-projektet var det som genomfördes av det brittiska företaget VAWT Ltd under 1980- och 1990-talen, och som härrörde från forskning som leddes av Peter Musgrove vid universitetet i Reading i Storbritannien.

Det första konceptet från VAWT Ltd hade en variabel geometri, vilket gjorde det möjligt att vika ihop bladen för att reglera effekten. Men efter att ha utvärderat en 130 kW turbin med variabel geometri, som uppfördes 1986 vid Carmarthen Bay i Wales, ansåg man att effekten lika gärna kunde regleras med fasta, raka blad. Den efterföljande prototypen på 500 kW, som uppfördes 1990, hade därför raka blad. Denna turbin drabbades av flera fel i samband med kraftöverföringen och slutligen ett förödande fel på ett av glasfiberbladen. Kort därefter stoppades den statliga finansieringen och projektet avslutades slutligen.

På 1990-talet började den tyske uppfinnaren och entreprenören Götz Heidelberg att utveckla ett H-rotorkoncept med variabelt varvtal och PM-magneter med H-rotor vid det Münchenbaserade företaget Heidelberg Motor GmbH. År 1991 installerades deras första storskaliga (300 kW) prototyp i Kaiser-Wilhelm-Koog på den tyska Nordsjökusten. Den använde en markmonterad generator och stöddes av staglinor som var kopplade till ett topplager som gjorde att hela tornet kunde rotera (ungefär som en Darrieus-turbin). Efter att ha övergivit den markbaserade generatorn utvecklades fem nya 300 kW-prototyper där den stora flerpoliga ringgeneratorn var placerad på toppen av ett trebent torn. Efter att ett svetsproblem ledde till att en turbin förstörde sig själv i början av 1995 togs de andra maskinerna ur drift och demonterades slutligen 1997. Detta ledde också till att man övergav en EU-finansierad utveckling av en 1,2 MW-version av konceptet och det var också slutet på denna VAWT-satsning.

Värt att nämna är att Heidelberg installerade sin mindre 20 kW-version för extrema miljöer vid en tysk forskningsanläggning i Antarktis som enligt uppgift var i drift i 15 år innan den togs ur bruk 2008.

Kontinuerliga ansträngningar

Om inte ens tysk ingenjörskonst kunde få VAWT:er att hålla ihop kan man ha gissat att konceptet säkert måste ha övergivits efter mitten av 1990-talet. Nåväl, det var det inte, även om det dröjde till 2010 innan nästa H-rotorprototyp i stor skala byggdes, den här gången av det svenska företaget Vertical Wind AB.

Under 2010 uppförde de en 200 kW stark, direktdriven prototyp med variabelt varvtal i närheten av Falkenberg på den svenska västkusten. Turbinen, som hade ett torn av laminerat trä och en egentillverkad direktdriven, flerpolig PM-generator, har huvudsakligen använts för mätningar men är fortfarande i drift, om än med begränsad vindhastighet. Vertical Wind avbröt sin utveckling efter att ha förlorat en viktig investerare 2010, men tillverkar fortfarande generatorer.

Som DAF Indal- och ALCOA VAWT-programmen på 1970-80-talen var initiativ från aluminiumtillverkare, är det polska VAWT-företaget Anew Institute, som är verksamt i dag, ett dotterbolag till ståltillverkaren Stalprodukt SA. Anew uppförde en prototyp på 200 kW år 2015 och den mest framträdande prototypen på 1,5 MW år 2017, som är näst störst efter ÉOLE, den största VAWT:n någonsin, när det gäller installerad kapacitet. Föga förvånande används så mycket stål som möjligt i konstruktionen, men tack och lov är åtminstone bladen gjorda av glasfiber.

Hur är det med flytande VAWT:er?

Flytande vindkraftverk har (till exempel av branschorganisationen WindEurope) identifierats som en viktig möjliggörande teknik för en större utbyggnad av havsbaserad vindkraft. VAWT:s låga tyngdpunkt kombineras väl med en flytande plattform och detta har lett till att intresset för konceptet har återupplivats och ett antal flytande VAWT-projekt har inletts under 2010-talet.

MODEC, ett japanskt företag som specialiserat sig på flytande plattformar för olje- och gasindustrin, har till exempel utvecklat ett flytande hybridsystem för kraftgenerering med vind- och tidvattenströmmar som kallas skwid (Savonius Keel and Wind Turbine Darrieus). Konceptet bestod av en H-rotor ovanför ytan och en Savonius-turbin som utvinner strömmar under ytan. Deras prototyp på 500 kW sjönk dock två gånger under driftsättningen 2013/14 och MODEC övergav sina VAWT-ambitioner.

Ett annat försök att kommersialisera flytande VAWT:er gjordes av det franska företaget NENUPHAR, som syftade till att utveckla en flytande offshore-plattform med två turbiner på flera megawatt.

Ingen stor flytande VAWT sattes någonsin i drift, men NENUPHAR installerade en prototyp på land med en effekt på 600 kW i Fos-sur-Mer på den franska Medelhavskusten 2014, för vilken olika bladkonfigurationer testades. År 2018 gick dock NENUPHAR i likvidation efter att ha övergivits av en industripartner.

Det kan nämnas flera andra flytande VAWT-utvecklingsinsatser som strävar efter att snart sätta in stora prototyper. Men denna korta tillbakablick är begränsad till projekt som, oavsett slutresultat, omfattade faktisk konstruktion av vertikala axelturbiner i stor skala. Så dessa ”pappersprojekt” utelämnas här, men skulle kunna bli föremål för en framtida rapport.

Floating niche revives interest

Sammanfattningsvis har konceptet med vindkraftverk med vertikal axel, som var nästan utdött, fått förnyat intresse under de senaste åren, särskilt för flytande plattformar till havs. Det har blivit allt svårare att konkurrera med konceptet med horisontell axel, som har blivit alltmer tekniskt utvecklat sedan det slog VAWT:erna som vindkraftsstandard på 1980-talet, men den flytande nischmarknaden kan vara den möjlighet som vindkraftverk med vertikal axel har väntat på.

Författarinformation: Erik Möllerström Rydberglaboratoriet för tillämpad vetenskap, Högskolan i Halmstad, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Sverige ()

För mer information om de nämnda VAWT:erna och andra mindre VAWT-projekt som inte behandlas här finns följande artikel tillgänglig med fri tillgång: 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).