Unterschied zwischen vertikalen und horizontalen Windrädern

 

Der Unterschied in der Aerodynamik zwischen vertikalen und horizontalen Hauswindrädern betrifft im Wesentlichen, wie der Wind eingefangen und in Rotation umgewandelt wird, sowie wie effizient das System arbeitet. Hier ein Vergleich der beiden Typen in Bezug auf aerodynamische Aspekte:

Horizontale Windräder (Horizontalachsen-Windkraftanlagen, HAWT)

Aerodynamische Eigenschaften:

• Ausrichtung: Die Rotorachse ist horizontal und muss dem Wind zugewandt sein.
• Blattprofil: Ähnlich wie Flugzeugtragflächen – sie erzeugen durch Strömungsabriss und Auftrieb Drehmoment.
• Effizienz: Sehr hoch, typischerweise bis zu 45% (Betz-Limit nahekommend).
• Strömungsverhalten: Funktioniert am besten bei gleichmäßigem, ungestörtem Wind (offene Flächen, hohe Türme).

Vorteile:

• Hoher Wirkungsgrad bei optimaler Ausrichtung.
• Gut erforschte Technologie mit langjähriger Entwicklung.

Nachteile:

• Braucht eine aktive Ausrichtung zum Wind (Yaw-Mechanismus).
• Funktioniert schlecht bei turbulenten oder wechselnden Windrichtungen – typisch in Städten oder bei Häusern.

Vertikale Windräder (Vertikalachsen-Windkraftanlagen, VAWT)

Aerodynamische Eigenschaften:

• Ausrichtung: Rotorachse steht vertikal – Wind kann aus jeder Richtung kommen.
• Blattprofil: Unterschiedliche Designs (z. B. Darrieus – auftriebsgestützt; Savonius – widerstandsbasiert).
• Effizienz: Meist niedriger als bei HAWT, typischerweise 10–35%, abhängig vom Typ.
• Strömungsverhalten: Funktioniert besser bei turbulenten Windverhältnissen (z. B. in urbanen Gebieten).

Vorteile:

• Kein aktives Nachführen zur Windrichtung nötig.
• Kann niedriger gebaut werden – gut für Dächer und enge Räume.
• Leiser und wartungsfreundlicher, da Generator oft bodennah.

Nachteile:

• Geringerer Wirkungsgrad bei gleichem Wind.
• Start oft nur bei höheren Windgeschwindigkeiten (je nach Typ).

 

Die Spiral- oder Helix-Form (z. B. twisted Savonius oder helikaler Darrieus) verbessert die Aerodynamik auf mehrere Arten. Die Rotorblätter sind wie eine Schraube oder Korkenzieher verdreht (kontinuierlich spiralisiert über die Höhe). Die Helix-Windturbine (gleichmäßig verdreht) hat einen typischen Wirkubgsgrad von 20-35 %. Das helikale (spiralförmige) Design verteilt die Windkraft gleichmäßiger über die Rotation – dadurch wird das Drehmoment sanfter und die Turbine läuft ruhiger.

 

Vorteile gegenüber herkömmlicher 3-Blatt-Savonius:

Merkmal	Spiralwindturbine	Klassische 3-Blatt-Savonius
Laufruhe / Drehmoment	Gleichmäßiger, ruhiger Lauf	Pulsierendes Drehmoment (ruckartig)
Strömungsverhalten	Bessere Luftführung, weniger Wirbel	Starke Turbulenzen an den Blättern
Startverhalten	Gut bei schwachem Wind	Gut, aber unruhiger
Wirkungsgrad	Höher, typ. 20–35 %	Niedriger, meist 10–20 %
Schallentwicklung	Leiser (weniger Druckschwankungen)	Teils hörbare Windstöße

 

Einige Eigenschfaten der Vertikalachsen-Helix-Rotoren :

• Der Wind wird permanent aus allen Richtungen aufgenommen, ohne dass eine Windnachführung benötigt wird
• Hohe Ausbringung auch bei geringem Wind ab 2,8 m/s (10 km/h) Windgeschwindigkeit
• Starke Windböen werden problemlos ‚geschluckt’, aufwändige verstellbare Rotorblätter entfallen
• Auch bei Sturm muss die Anlage nicht stillgelegt werden (andere Anlagen werden bei 24 m/s – 27 m/s gestoppt)
• Ausdauernde, ununterbrochene Ausbringung bei starkem Wind.
• Die Anlage ist robust, zeigt kaum Verschleiß, ist wartungsfrei und auch betriebskostengünstig, der mechanische Aufbau ist nicht komplex
• Einsatz von Permanentmagnetgeneratoren mit langer Lebensdauer und niedriger Drehzahl
• Hohe Betriebszeiten
• Nahezu geräuschfreier Betrieb
• Es gibt keinen dynamischen Schattenwurf, wie er von horizontalen Windrädern bekannt ist.
• Äußerst geringes Start-Drehmoment und damit gute elektromechanische Umsetzung der Bewegungsenergie  
• Es sind keine besonderen Fundamente notwendig, eine einfache Abspannung genügt in den meisten Fällen. Einfache Installation als Boden-, Dach- und Wandmontage
• Der Einsatz modernster Faserverbundwerkstoffe ermöglicht eine ultraleichtgewichtige Bauweise bei höchster Festigkeit sowie UV-Beständigkeit und damit hohe Wirkungsgrade
• Modulare und hochflexible Bauweise (Gleichteil-Baukasten-Prinzip). Einzelne Komponenten können jederzeit ausgetauscht werden. Eine Leistungserhöhung durch Nachrüstung ist jederzeit möglich
• Der spiralförmige Aufbau (Helix-Struktur) bietet dem Wind zu jeder Zeit und bei jedem Winkel der Rotation eine ausreichende Angriffsfläche
• Hochmoderne, rationelle und kostengünstige Fertigung
• Leistungsoptimierung mittels modernster Leistungselektronik
• Gleichförmige Drehbewegung
• Keine mechanischen Verluste, da das System ohne Getriebe arbeitet (direkte Kraftübertragung)
• Äußerst profitabel durch geringe Anschaffungskosten, einfache Installation und wartungsfreien Betrieb mit nahezu uneingeschränkter Lebenssdauer
• Sehr guter aerodynamischer Wirkungsgrad