Windkraft Anlage Darrieus-Rotor

Der Darrieus-Rotor

Der Darrieus-Rotor ist eine Windenergieanlagenbauart mit vertikaler Rotationsachse. Er wurde von dem Franzosen Georges Darrieus erfunden und 1931 in den USA patentiert. Wegen seines Aussehens wird der Rotor scherzhaft auch egg-beater, zu deutsch Schneebesen, genannt. Die Rotorblätter sind am oberen und unteren Ende der Achse befestigt und ragen bogenförmig nach außen. Die Bogenform der Rotorblätter entspricht ungefähr einer Kettenlinie, damit sie unter der Zentrifugalkraft im Betrieb keinem oder wenig Biegemoment ausgesetzt sind.

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Geschichte des Darrieus-Rotors

Darrieus-Rotor bei Martigny (Kanton Wallis), erbaut 1987, Centre de recherche et d’enseignement en energie et techniques municipales

* In Kanada wurden in den 1980er Jahren mehrere Darrieus-Wind-Diesel-Inselsysteme im Leistungsbereich von etwa 250 kW erprobt.

* In Cap-Chat, auch in Kanada, wurde ein mehr als 100 Meter hoher Darrieusrotor mit 4 Megawatt Nennleistung namens Éole aufgestellt.

* In den Tehachapi-Bergen wurde ein Darrieus-Windpark mit Anlagen des Herstellers Flowman (USA) installiert (Bild in der Literatur von 1986).

* Im Windpark Heroldstatt wurde eine Anlage von Flender/DORNIER errichtet. Sie hat einen Durchmesser von 15 m, eine Masthöhe von 25 m und eine Leistung von etwa 55 kW bei 11,5 m/s Windgeschwindigkeit. Die mittlere Windgeschwindigkeit des Standortes auf Höhe der Rotormitte liegt bei nur 4,1 m/s. Daher liegt der Jahresertrag nur bei etwa 24.500 kWh.

* Östlich der Stadt Martigny, Kanton Wallis, wurde 1987 ein Rotor errichtet, der zusammen mit einem Biogasmotor betrieben wird. Der Rotor hat einen Durchmesser von 19 Metern, eine Höhe von 28 Metern und kommt auf eine Gesamtmasse von 8 Tonnen. Die Drehzahlen werden mit 33 und 50 U/min angegeben. Der Asynchrongenerator läuft mit 110 kW und 160 kW Leistung bei 1000 bzw. 1500 U/min.

* Speziell in England, den USA und Deutschland wurde versucht, den H-Anlagentyp (s.u.) kommerziell verwendbar zu entwickeln. So wurden beispielsweise bis Anfang der 1990er Jahre von dem deutschen Hersteller Heidelberg-Motors Anlagen mit direkt in die Rotorstruktur integriertem getriebelosem Generator wie bei Enercon entwickelt. Von diesem Typ standen vier 1-Megawatt-Anlagen am Kaiser-Wilhelm-Koog. Da der Generator ähnlich wie bei der 750 kW Lagerwey-Maschine sehr laut war, mussten diese Rotoren nachts abgeschaltet werden. Dadurch war die Energieausbeute halbiert, weshalb die Anlagen zurückgebaut werden mussten. In so reduziertem Betrieb konnten sie wirtschaftlich nicht mit modernen dreiblättrigen Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse konkurrieren. Als es dann gelang, die Generatoren im Betrieb geräuschärmer zu entwickeln, hatten bereits Horizontalachsenanlagen den Platz am Kaiser-Wilhelm-Koog übernommen.

* In der Antarktis versorgt ein H-Darrieus die deutsche Neumayer-Station seit 1991 mit Windstrom. In der Antarktis sind Stürme mit Windgeschwindigkeiten von über 250 km/h keine Seltenheit.

Wirtschaftlichkeit eines Darrieus-Rotors

Im Vergleich mit Windkraftanlagen mit horizontal liegender Rotationsachse hat der Darrieus-Rotor einen niedrigeren Erntegrad. Das liegt daran, dass seine Flügel auf ihrer Kreisbahn um die Rotationsachse auf einem Teil ihres Umlaufes vom Wind nicht optimal angeströmt werden. Bei idealen Windverhältnissen haben immer die Anlagentypen mit horizontaler Rotationsachse und vertikaler Drehkreisebene ihrer Flügel die größere Energieausbeute. Unter normalen Bedingungen ist ein Leistungsbeiwert von 0,55 die Obergrenze. Für turbulente Strömungen in Bodennähe sind Vertikal- im Vergleich zu konventionellen Horizontalachsenanlagen aber gut geeignet, weil sie von einer konstanten Windrichtung unabhängig sind.

Kräfte an einem Darrieusrotor, dessen Blätter momentan viermal so schnell wie der Wind sind; Die Reibung wird vernachlässigt, die Profile der Rotorblätter sind symmetrisch und haben einen Anstellwinkel von 0° zur Drehrichtung. Der Widerstand, der bei realen Flügelprofilen auftritt, wird vernachlässigt.

Die Wirkungsweise des Darrieus-Rotor

Die Strömung an einem Blatt eines Darrieusrotors ergibt sich durch Vektoraddition der Drehgeschwindigkeit mit der Windgeschwindigkeit. Während eines Umlaufs ändern sich durch diese Addition die effektive Windgeschwindigkeit, die Anströmrichtung und der Anstellwinkel der Rotorblätter stetig. Der Auftrieb an den Blättern ist senkrecht zur Anströmungsrichung, so dass ein Teil des Auftriebs in Drehrichtung zeigt und das Drehmoment erzeugt (Vortrieb). Je größer der Anstellwinkel ist, desto größer ist die Vortriebskomponente des Auftriebs, so dass das maximale Drehmoment an den Stellen entsteht, wo die Windrichtung senkrecht zur Drehrichtung ist. Wo Dreh- und Windrichtung parallel sind, entsteht kein Vortrieb, weil der Anstellwinkel gleich null ist. An dieser Stelle wird ein realer Darrieusrotor sogar abgebremst, weil die Reibung den Vortrieb dort überwiegt.

Der Teil des Auftriebs der Rotorblätter, der nicht in Drehrichtung zeigt, wirkt windaufwärts zur Drehachse zu dieser hin, windabwärts von ihr weg. Insofern wird der Vortrieb als Impuls auf die Flügelbefestigungen jeweils entweder durch Zug- oder durch Druckkraft in Hebelkraft umgewandelt, welche infolgedessen das Drehmoment und Rotation verursacht. Der so entstehende Lastwechsel kann die Konstruktion stark beanspruchen. Ein- und zweiblättrige Rotoren erreichen während des Umlaufs je nach Auslegung des Blattprofils eine oder zwei Stellungen, an denen das Drehmoment geringfügig gegen die Drehrichtung wirkt. Der Rotor braucht genügend Drehimpuls, um diese Bereiche zu überwinden und läuft deshalb mit klassischen Flügeln besonders schlecht an. Erst der dreiblättrige Rotor weist bei diesen immer ein positives Drehmoment auf, das sich mit der Schnelligkeit seiner Drehung durch die Addition von Dreh- mit der Windgeschwindigkeit verstärkt.

Bei Rotorstillstand entsteht bei Anwendung klassischer Blattprofile mit einer geringen Anzahl von Flügeln kein ausreichendes Drehmoment. Zwar läuft ein Darrieus-Rotor schon mit drei konventionellen Flügeln ohne zugeschalteten Generator frei von selber an, um jedoch den Reibungswiderstand des Generators bei Zuschaltung aus dem Stand zu überwinden, benötigt man entweder eine noch größere Anzahl von Flügeln, eine Anfahrhilfe durch den Generator oder einen in die Konstruktion integrierten Savonius-Rotor. Man kann aber auch durchströmte Profile nutzen, die sogar bei Verwendung von nur einem einzelstehenden Flügel mit Kontergewicht für das Anfahren und den Betrieb unter Last voll ausreichen.

Die Bauvariante des H-Darrieus-Rotors hat Blätter mit einer geraden Längsachse. Der Name leitet sich vom Profil des Rotors ab, dessen senkrechte Blätter mit dem querliegenden Tragarm an den Buchstaben „H“ erinnern.

Während die gebogenen Blätter des klassischen Darrieus-Rotors oben und unten mit der Rotorachse zusammenlaufen, sind die geraden Blätter des H-Darrieus-Rotors von der Rotordrehachse freistehend auf Tragarmen angebracht.

Im Vergleich mit dem klassisch gebogenen Rotor hat ein H-förmiger Rotor bei gleicher Rotorhöhe ein größeres Drehmoment, weil er eine größere Fläche aberntet und die effektive Windgeschwindigkeit weiter außen höher ist.

Vor – und Nachteile eines Darrieus Rotors

Vorteile

* Da der Darrieusrotor eine senkrechte Achse hat, ist seine Funktion von der Windrichtung unabhängig, so dass auf eine Windnachführung verzichtet werden kann. Außerdem kann der turbulente Wind nah am Boden genutzt werden, für den konventionelle Anlagen mit horizontaler Drehachse ungeeignet sind, weil sie nicht schnell genug nach dem Wind ausgerichtet werden können.

* Der Generator und das Getriebe sind bodennah, was die Wartung und das Auswechseln von Bauteilen erleichtert. Im Gegensatz zu Horizontalläufern gibt es keine Generatorgondel, die auf Nabenhöhe emporgehoben werden muss. Somit entfällt der teure Einsatz von Schwerlastkränen. Der Darrieus-Rotor kann ohne Turm errichtet werden. Sofern der Rotor höher stehen soll, ist die Turmkonstruktion statisch weniger anspruchsvoll, weil dieser keine schwere Generatorgondel tragen muss.

* Die Beherrschung der Lasten, die von den Rotorblättern ausgehend über die Drehachse weitergeleitet von der Lagerung aufgefangen werden müssen, ist hier auch gut zu bewältigen, weil der Darrieusrotor eine weit auseinanderliegende Zweipunktelagerung hat, je nach Bauart in verschiedenen Versionen.

* Als Rotorblätter kommen unter anderem auch Strangpressprofile in Frage, die sich endlos oder als Meterware fertigen lassen.

* Es ist interessant anzumerken, dass der nach dem Actuator-Disk-Modell nach oben abgeschätzte Leistungsbeiwert für eine ausgedehnte Vertikalanlage größer sein kann als 0,59 und somit insgesamt solchen Anlagen grundsätzlich ein höheres Ertragspotenzial zukommt als Horizontalachsern.

* Die Schnelllaufzahl kann durch die Völligkeit des Rotors(= Blattzahl × Tiefe/Rotorradius) in relativ weiten Grenzen variiert werden, ohne c-P-max zu verändern. Hohe Schnelllaufzahlen bedingen jedoch eine Unfähigkeit zum eigenständigen Anlaufen, weshalb einige Anlagen (z.B. EOLE-C in Kanada) den Generator auch als Anlaufhilfe nutzen müssen. Das Lastkollektiv der Betriebsfestigkeit ist i.a. schwieriger zu bestimmen, da bei jedem Umlauf die Blätter in die turbulente Leeseite gelangen und weil die Last des Winddrucks einmal in die Richtung der Fliehkraft verläuft und auf der anderen Hälfte des Drehkreises dagegen.

* Als Auftriebs- und Schnellläufer mit einer Schnelllaufzahl von etwa fünf hat der Darrieus-Rotor einen besseren Wirkungsgrad als der Savonius-Rotor und andere solche Rotoren mit vertikaler Drehachse.

* Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass seine Blätter im Umlauf um ihre Drehkreisebene nicht – wie dies bei Horizontalläufern der Fall ist – ungleichmäßig durch von der Schwerkraft verursachte Lastwechsel in Mitleidenschaft gezogen werden.

Nachteile des Darrieus-Rotor

* Darrieusrotoren erreichen bisher nur Erntegrade von bis zu 40 %, was teilweise daran liegt, dass in einem Teil des Drehkreises die Reibung den Vortrieb überwiegt, teilweise aber auch an dem Entwicklungsvorsprung von heutigen konventionellen Windkraftanlagen, die einen maximalen Erntegrad von um die 50 % erreichen.

* Durch die Lastwechsel (siehe Abschnitt Funktionsweise) und deren Wechselwirkung auf die Fliehkraft an den Blättern wird das Material des Darrieusrotors stark belastet. Dadurch können mit der Zeit Materialermüdungen auftreten, die die Lebensdauer begrenzen.

Durchströmtes Blattprofil beim Darrieus Rotor

Als eine Weiterentwicklung des Darrieusrotors durch Andre Gerard Schelleken, Serge Gilbert, Karl Keding und Carl-Magnus R. von Canstein gilt eine Anlage in Galdar, Las Palmas, Gran Canaria, die als Prototyp mit 2,4 m Rotordurchmesser als Einflügler mit entsprechendem Kontergewicht selbst mit zugeschaltetem kurzgeschlossenem Permanentmagnet-Ringgenerator, der dann relativ stark abbremst, schon bei 3 m/s frei ohne Anfahrhilfe anläuft.

Dies wird durch ein neuartiges Blattprofil bewerkstelligt, welches nicht nur umströmt wird, sondern auch durchströmt ist. Bei dieser Neuentwicklung ist also das Drehmoment auch bei Rotorstillstand selbst mit nur einem Flügel für einen freien Anlauf stark genug. Auch der Wirkungsgrad ist höher als mit klassischen Blattprofilen.

Dieses Profil ist wie das klassische Profil symmetrisch und die Profilsehne liegt identisch auf der Kreislinie der Umlaufbahn. Da es aber offen ist und in einfachster Weise aus einem halbrund gewölbten Vorflügel besteht, mit dahinter einmündendem schmalem laminar gestaltetem Blatt, hat es in größeren Anstellwinkelbereichen zur Strömung Vortrieb und Auftrieb gleichermaßen. Für die Vermeidung von Flügelrandverlusten sowohl als auch für die konstruktive Verbindung der Blatt – Teile untereinander werden Spanten eingesetzt. Das Bauprinzip ist lizenzfrei verfügbar, das Patent DP 41 20 908 wurde zum beliebigen Gebrauch öffentlich freigestellt.

Ein Versuch mit dieser Flügeltechnik zeigte, dass der Darrieus-Rotor prinzipiell auch auf einer dem äußeren Drehkreis entsprechenden − oder wahlweise auch von diesem mit größerem oder kleineren Durchmesser abweichender − Kreisbahnlagerung gefahren werden kann. Obwohl dieses Experiment mit nur zwei von den voranstehend als durchströmt beschriebenen Flügeln bestückt war, die auf Rädern am Boden ohne zentrale Drehachse liefen, kam eine gleichmäßige Rotation mit freiem Anlauf unter Lastabgabe bei etwa 4 m/s. Windgeschwindigkeit zustande. Ein bei diesem Modell direkt an die Laufräder gekoppelter Dynamo erreichte durch die relativ hohe Drehzahl der Laufräder auf der Kreisbahnlagerung seine Nennleistung bereits bei dieser Windgeschwindigkeit. Versuche mit größeren Rotordurchmessern als 1,5 m wurden nicht gemacht. Patente zur Kreisbahnlagerung von Windenergieanlagen wurden schon 1912 und später in den 1920er-Jahren auf dem Kaiserlichen Patentamt und dem Reichspatentamt in Berlin angemeldet. Theoretisch ist durch eine Kreisbahnlagerung der Bau von kilometergroßen Kreisbahnen möglich, auf denen die Flügel auf Rädern gelagert am Boden rollend den Betrieb einer großen Anlage ermöglichen können. Die gleiche Möglichkeit gilt auch für andere Flügeltechniken auf vertikaler Drehachse, z.B. für einen Rotor mit Segeln. Ein historisches Beispiel für solche Segeltechnik ist die zum Wasserschöpfen auf den Reisfeldern benutzte chinesische Windmühle.

Nutzung im Wasser

In neuerer Zeit sind auch Konzepte entwickelt worden, den Darrieus-Rotor in einer Meeres- oder Flussströmung unter Wasser zu nutzen.