Darrieus-Rotor

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

Der Darrieus-Rotor ist eine Windturbine für Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse (VAWT, vertical axis wind turbine), und im Gegensatz zur persischen Windmühle und zum Savonius-Rotor ein Schnellläufer. Er wurde von dem Franzosen Georges Darrieus erfunden und in den USA 1931 patentiert. In der klassischen Form sind die Rotorblätter am oberen und unteren Ende der Welle befestigt und ragen bogenförmig nach außen. Nach dem Prinzip einer Kettenlinie geformt, verursacht die Zentrifugalkraft in ihnen nur Zugspannungen, keine Biegemomente.

Entwicklungsgeschichte anhand von Beispielen

• Die kanadische Firma DAF Indal entwickelte um 1980 verschiedene Darrieus-Anlagen im Leistungsbereich bis etwa 250 kW. Anlagen mit 4 und 40 kW Nennleistung dienten als Wasserpumpen. Netzgekoppelte Anlagen mit Nennleistung 50 und 500 kW wurden im SCE-Testzentrum bei Palm Springs und im Sankt-Lorenz-Golf erprobt. Das größere Modell, Indal 6400, wird von Paraschivoiu (2002) als kommerziell aufgeführt. Die Zahl der Installationen ist nicht bekannt.^[1]

• Von 1974 bis '85 förderte das US-amerikanische Energieministerium DOE die Entwicklung der Darrieus-Technologie der Sandia National Laboratories (Standort Albuquerque, New Mexico) mit 28 Mio. US-Dollar. Die 1982 gegründete Firma FloWind (USA) erwarb die Rechte an einem dort entwickelten 17-m-Rotor und brachte ihn unter der Bezeichnung „300 Darrieus“ zur Marktreife. Die Anlage mit ihrem 42 m hohen Rotor war die kommerziell erfolgreichste der Bauform mit vertikaler Achse mit 170 bzw. 340 Exemplaren in den Windparks Altamont Pass und Tehachapi.^[2] Während der Hersteller 300 kW Nennleistung angab, führte die Kalifornische Energiekommision die 510 Anlagen mit insgesamt 94 MW installierter Leistung (184 kW pro Anlage).^[1] Während 1995 in Europa keine Windkraftanlage mit vertikaler Achse mehr in kommerziellem Betrieb war, hatten diese Anlagen in Kalifornien noch einen Anteil von 6 % an der installierten Leistung.^[3] FloWind plante den Ersatz der 2-blättrigen Rotoren aus Aluminium durch 3-blättrige Rotoren aus Fiberglas,^[4] ging aber 1997 in Konkurs.^[5] Die Rotoren wurden im Rahmen des Repowering durch Anlagen mit horizontaler Achse ersetzt.

• Östlich der Stadt Martigny, Kanton Wallis, wurde 1987 ein Rotor errichtet, der sporadisch 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 pro Minute angegeben. Der Asynchrongenerator läuft mit 110 kW und 160 kW Leistung bei 1000 bzw. 1500 pro Minute.^[6]

• In Cap-Chat, Kanada, wurde 1987 Éole errichtet, eine vom Boden aus gemessen insgesamt 110m hohe Anlage mit einem Darrieus-Rotor von 64 m Durchmesser und 96 m Höhe und einem Generator mit 3,8 Megawatt Nennleistung. In insgesamt 19.000 Betriebsstunden wurden 12 GWh Strom erzeug^[7] (1/6 der Nennleistung, 158 W/m² Rotorfläche), allerdings 'auf Verschleiß' – das untere Rotorlager war der Belastung nicht gewachsen. Neben dem Gewicht und Vibrationen trug dazu die Spannung der sechs 200 Meter langen, schräg nach unten laufenden Abspannseile bei. 1992 wurde der Rotor in einem Sturm schwer beschädigt und die Anlage daraufhin endgültig stillgelegt.

Darrieus-Rotor bei Heroldstatt

• Im Testfeld der EVS, heute EnBW, bei Heroldstatt wurde 1989 eine zweiflügelige Anlage der Flender AG errichtet. Sie hat einen Durchmesser von 15 m, eine Masthöhe von 25 m und eine installierte Leistung von etwa 55 kW bei 11,5 m/s Nennwindgeschwindigkeit. Die mittlere Windgeschwindigkeit des Standortes auf Höhe der Rotormitte liegt bei nur 4,1 m/s. Daher und wegen des geringen Leistungsbeiwertes der Vertikalachsanlage lag der Jahresertrag nur bei etwa 24.500 kWh, entsprechend einer mittleren Leistung von nur 2,8 kW.^[8]

• Speziell in England, den USA und Deutschland wurde versucht, den H-Anlagentyp 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 im 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.

Darrieus-H-Rotor der Neumayer Station in der Antarktis

• In der Antarktis wurde in der ersten deutschen Georg-von-Neumayer Forschungsstation 1991 ein H-Rotor mit 20 kW Nennleistung, 10 m Durchmesser, drei Flügeln mit 5,6 m Flügelhöhe und einem getriebelosen Ringgenerator im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsvorhabens des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung (Bremerhaven), der Hochschule Bremerhaven, des Germanischen Lloyd (Hamburg) und der Fa. Heidelberg Motor GmbH (Starnberg) mit Förderung des Bundesministers für Forschung und Technologie in Betrieb genommen. Die Entwicklung erfolgte seit 1989 in enger Zusammenarbeit der vier Forschungspartner unter der Projektleitung von Prof.Dr.-Ing.Friedrich Zastrow (Hochschule Bremerhaven).^[9] Die Anlage wurde 1990 ein Jahr lang auf dem Testfeld des Germanischen Lloyd in Kaiser-Wilhelm-Koog getestet und modifiziert (Auslegungsdaten: max. Windgeschwindigkeit 68 m/s, tiefste Umgebungstemperatur -55 °C ).^[10] Die Windkraftanlage versorgte seit Januar 1991 sowohl die alte als auch später (ab Januar 1993) die zweite Georg-von-Neumayer Forschungsstation mit einem Teil der elektrischen Energie (ca. 6 %), die für Heizung und sonstigen Betrieb der Forschungsstation benötigt wird. Der theoretisch errechnete C_P,max von 0,38 bei der Auslegungsschnelllaufzahl λ = 2,2 konnte durch Messungen zu 0,31 bei λ = 2,3 bestimmt werden.^[11] 18 Jahre lief die Anlage nahezu störungsfrei und lieferte ca. 36000 kWh jährlich bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von 9,5 m/s. Die Nachfolgestation erhielt eine Windkraftanlage ohne Darrieus-Rotor. Der abgebaute H-Rotor wird nach Restaurierung ab etwa Sommer 2011 im Deutschen Technikmuseum Berlin zur Besichtigung ausgestellt.

• Das 2005 mit Venture-Kapital der RWE Innogy gegründete Unternehmen "Quietrevolution" entwickelte eine 5-kW-Anlage mit dreiblättrigem 13,6-m²-Helix-H-Rotor zur Marktreife. Bis 2010 wurden über 100 Anlagen errichtet, überwiegend in UK. Nach der MCS-Zertifizierung Anfang des Jahres ist die Produktionskapazität 2011 mit weiteren 105 Anlagen ausgeschöpft, 30 davon für den Lagerbestand der RWE Innogy.^[12]

• In Ishpeming, Michigan, wurde im Juni 2010 ein dreiflügeliger, klassischer Darrieus-Rotor von 26 m Durchmesser und 27 m Höhe montiert. Mit einer Nennleistung von 200 kW soll er jährlich 500 bis 750 MWh an die unmittelbar benachbarte sechsstöckige Seniorenwohnanlage liefern, die er auf seinem 18-m-Gittermast gerade überragt. Das Projekt ist für die beteiligten Firmen das erste dieser Art und wurde mit 620.000 US-Dollar vom U.S. DOE gefördert.^[13][14] Bedenken wegen der Sicherheit der Senioren verzögern den Regelbetrieb.^[15]

• Ebenfalls 200 kW Nennleistung, allerdings an einem günstigeren Standort an Schwedens Westküste, hat ein im April 2011 in Betrieb genommener, dreiflügeliger H-Rotor von 26 m Durchmesser, 24 m Blattlänge und 40 m Nabenhöhe. In dem 12-eckigen Turm aus Schichtholz verläuft eine Welle zum getriebelosen, permanenterregten Generator. Insgesamt vier Anlagen sollen einen gemeinsamen Umrichter speisen.^[16] Hersteller ist die schwedische Firma Vertical Wind, eine Ausgründung der Universität Uppsala.^[17] Auftraggeber sind E.ON und der lokale Versorger Falkenberg Energy. Das Pilotprojekt wird zudem von der Schwedischen Energie Agentur mit umgerechnet 1 Mio € gefördert.^[18]

Wirkungsweise und Aerodynamische Auslegung

Strömung und Kräfte an einem Blatt eines Darrieus-Rotors. Das Profil ist NACA 0015, die Schnelllaufzahl beträgt 4, der Luftwiderstand ist vernachlässigt, der Auftrieb ist als quadratisch von der Strömungsgeschwindigkeit und linear vom Anströmwinkel abhängig angenommen.

Dem aus der Drehbewegung resultierenden Fahrtwind, der die Rotorblätter stets von vorne trifft, überlagert sich der wahre Wind, der aus Sicht eines Rotorblattes ständig umläuft. In der Summe bilden sie die in der Animation blau eingezeichnete Anströmung des Profils. In dessen Arbeitsbereich (siehe Polare) wirkt nun die Luftkraft (roter Pfeil) nahezu senkrecht zur Anströmung, sodass eine Komponente dieser Kraft in Bewegungsrichtung als Vortrieb wirksam wird (grüner Balken). Die vertikale Linie zeigt den Variationsbereich der Wechsellast, welche nur die Konstruktion beansprucht und keine Arbeit leistet.

Aufgrund der im Umlauf ständig wechselnden Anströmung können für einen bestimmten Anströmwinkel optimierte, asymmetrische Profile nicht genutzt werden. Abweichungen von der meist verwendeten symmetrischen Form und der tangentialen Ausrichtung des Profils bewirken nur marginale Verbesserungen, weil positiven Effekten an einer Stelle des Umlaufs negative an anderer Stelle gegenüberstehen.^[19] Abhilfe brächte eine dynamische Verstellung der Blattwinkel während des Umlaufs. Experimente in dieser Richtung waren bisher nicht erfolgreich.^[20]

Der auf weiten Teilen des Umfangs suboptimale Anströmwinkel vermindert den Vortrieb auf zweierlei Weise: Zum einen sinkt der Betrag des Auftriebs, zum anderen wird dessen Richtung ungünstiger, siehe Animation. Als Ausgleich wird die Blattfläche vergrößert, meist durch eine Erhöhung der Profiltiefe, seltener durch mehr Blätter. Das bewirkt aber einen Anstieg des Luftwiderstandes.

Der maximale Anströmwinkel, ab dem Strömungsabriss einsetzt, ist von der Profildicke abhängig und bestimmt die optimale Schnelllaufzahl des Rotors. Diese liegt im Bereich von nur drei bis sechs, ein Grund für eine weitere Erhöhung der Blattfläche.

Beim klassischen Darrieus-Rotor, dessen Blätter wie ein Sprungseil geformt sind, nimmt die Schwankungsamplitude der Anströmung im achsnahen Bereich zu. Fortgeschrittene Designs verwendeten dort dickere Profile, welche bei etwas größeren Anströmwinkeln in den Stall kommen, und größere Profiltiefen, um den geringen Fahrtwind auszugleichen.^[21]

Konstruktion

• Die beim klassischen Darrieus-Rotor sehr langen Blätter sind anfällig für Schwingungen. Eine resonante Anregung der komplizierten Eigenmoden des Rotors durch die aerodynamische Wechsellast einschließlich ihrer Harmonischen wird möglichst vermieden.^[22] Das trifft auch auf die Abspannseile zu^[23] – die sechs 200 m langen Seile des Éole sind dazu jeweils von Gittermasten gestützt.
• Als Rotorblätter wurden Strangpressprofile aus Aluminium eingesetzt, die sich kostengünstig fertigen lassen. Für H-Rotoren gilt das noch immer, für die langgestreckten Blätter des Schneebesen-Darrieus ist Aluminium aber nicht ausreichend wechsellastfest.^[24]
• Da der Darrieus-Rotor eine senkrechte Achse hat, ist seine Funktion von der Windrichtung unabhängig, so dass auf eine dem Wind nachgeführte Generatorgondel verzichtet werden kann. Allerdings entfällt damit auch die sonst bei Kleinwindanlagen gerne genutzte Möglichkeit, den Rotor bei Sturm aus dem Wind zu drehen. Hier wirkt sich die größere Blattfläche negativ aus, weil die gesamte Struktur, vom Rotor über den Turm bis zum Fundament entsprechend stabiler ausgelegt werden muss.
• Während moderne Windkraftanlagen im Bereich der Nennleistung durch Blattwinkelverstellung geregelt und schließlich stillgelegt werden, sind Anlagen mit Darrieus-Rotor stall-geregelt. Um ein ‘Durchgehen’ der Anlage sicher vermeiden zu können – die Sicherheitsvorschriften fordern eine von der mechanischen Bremse unabhängige Möglichkeit dazu –, wird der Generator von Anlagen mit Darrieus-Rotor überdimensioniert. In dieser Hinsicht ist insbesondere für große Anlagen mit ihrer ohnehin geringen Drehzahl die relativ geringe Schnelllaufzahl von Darrieus-Rotoren ungünstig, weil damit das vom Generator bzw. dem Getriebe aufzubringende Drehmoment steigt, was sich direkt in den Kosten widerspiegelt.
• Der Generator und ggf. das Getriebe sind je nach Bauform (klassischer Darrieus oder H-Rotor) bodennah, was die Wartung und das Auswechseln von Bauteilen erleichtert.
• Leistungsbeiwerte von 30 bis maximal 40 % sind beim Darrieus-Rotor erreichbar. Dies steht im Gegensatz zu konventionellen Anlagen mit horizontaler Drehachse, die bis zu 50 % erreichen.

H-Darrieus-Rotor

H-Darrieus-Rotor

Darrieus-Helix-Rotor

2× Darrieus-H-Helix auf einem Messcontainer in der Nähe der Neumayer Station, Antarktis

Während die gebogenen Blätter des klassischen Darrieus-Rotors oben und unten mit der Rotorachse zusammenlaufen, besteht der H-Darrieus-Rotor aus geraden, parallel zur Drehachse angeordneten Blättern an Tragarmen. Die Bauform mit zwei oder mehr senkrecht stehenden Blättern und einem horizontalen Tragarm erinnert an den Buchstaben "H", daher der Name.

Spiralförmig gebogene Blätter an einem H-Rotor Darrieus Modell haben ein gleichmäßigeres Drehmoment und benötigen keine Anfahrhilfe, solange ein eisenloser Generator mit geringem Innenwiderstand und ohne Rastmoment der Magnete genutzt wird.

Diese Bauarten vermeiden einige der oben aufgeführten Nachteile des klassisch gebogenen Darrieus-Rotors:

• Alle Bereiche eines Blattes bewegen sich gleich schnell, mit einheitlichem Anstellwinkel.
• Eine Abspannung aus der wirksamen Fläche heraus nach unten ist möglich.
• Geringerer Materialeinsatz bei höherem Leistungsbeiwert für die gleiche wirksame Fläche.

Die abgebildete Windkraftanlage (WKA), zeigt die einzig noch existierende Großanlage dieser Bauform in D_48249 Dülmen-Rorup. Die WKA stand vormals im Versuchsfeld am Kaiser-Wilhelm-Koog, an der Nordsee. Die Besonderheit dieser Variante ist, dass sich nicht nur der obere Bereich der WKA dreht, sondern die gesamte Anlage (Rotorblattbereich, Turm! und in Bodenhöhe der Rotor, des Generators). Eine kleinere WKA in einer anderen Ausführung, der Versuchsreihe, ist noch im Besitz des Betreibers. Diese ist jedoch nicht wieder aufgebaut worden.

Nutzung im Wasser

In neuerer Zeit sind auch Konzepte entwickelt worden, den Darrieus-Rotor in einer Meeres- oder Flussströmung unter Wasser zu nutzen.^{[25] [26]}

Literatur

• Erich Hau: Windkraftanlagen. Springer-Verlag, Berlin 2003, ISBN 3-540-42827-5.
• Ion Paraschivoiu: Wind Turbine Design with Emphasis on Darrieus Concept. Polytechnic Int. Press, Montreal, Kanada 2002, ISBN 2-553-00931-3. (Vorschau)
• Robert Gasch (Hrsg.): Windkraftanlagen. (nur bis zur dritten Auflage), Teubner-Verlag, Stuttgart 1996, ISBN 3-519-26334-3.
• Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (Eingeschränkte Vorschau in der Google Buchsuche).
• Kristian R. Dixon: The Near Wake Structure of a Vertical Axis Wind Turbine. Master Thesis, TU Delft, 2008, [5].

Weblinks

 Commons: Darrieus Wind generators – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Geschichte des Vertikalachsenrotorprogramms des US-Energieministeriums, (PDF-Datei; 6,98 MB; Englisch)
• Photos zum „Heidelberger H-Rotor“
• Geschichte und gegenwärtiger Stand der Technologie
• Video der H-Rotor WKA auf dem Roruper Berg

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b} Winds of Change: American Turbine makes 1975 - 1985
2. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 85–87 in der Google Buchsuche).
3. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 170 in der Google Buchsuche).
4. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 172 in der Google Buchsuche).
5. ↑ Alan Jaroslovsky: Memorandum of Decision Re: Ownership of Windmills. United States Bankruptcy Court - Northern District of California, 23. April 1999, abgerufen am 19. September 2011 (engl.). 
6. ↑ Dörner: Darrieus-Rotor
7. ↑ >Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 104 in der Google Buchsuche).
8. ↑ Dörner: Windenergieprojekte in Baden-Württemberg
9. ↑ G. Heidelberg et al.: Vertical Axis Wind Turbine with Integrated Magnetic Generator. 1990, in: H. Kohnen, J Texeira (Hrsg.): Proceedings of the Fourth Symposium on Antarctic Logistics and Operations, Sao Paulo, Brasil, 16 to 18 July 1991, S. 72–82.
10. ↑ Geowissenschaften Heft 12, Dezember 1993, Verlag Ernst&Sohn, Seite 419 u.420
11. ↑ Zastrow, F.: Windenergie, Vorlesung an der Hochschule Bremerhaven, Bremerhaven, 2006. Berechnung und Messung
12. ↑ Homepage der Fa. Quiet Revolution mit Sitz in London Quiet Revolution
13. ↑ MTI Energy Management: Bildbericht über Herstellung und Aufbau
14. ↑ Gang Rapids Business Journal: Grant helps MAREC tenant (25. Okt. 2010)
15. ↑ Upper Michigans Source: Wind turbine spins briefly in Ishpeming (10. Juni 2011)
16. ↑ Vertical Wind AB: Präsentation des Herstellers (ppt)
17. ↑ technepolis group: Evaluation der Forschung (Feb. 2009)
18. ↑ Swedish Energy Agency: Cleantech Opportunities 2009
19. ↑ P. C. Klimas, M. H. Worstell: Effects of Blade Preset Pitch/Offset on Curved-Blade Darrieus Vertical Axis Wind Turbine Performance. Sandia National Laboratories Report, SAND81-1762, 1981, [1].
20. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 173 in der Google Buchsuche).
21. ↑ R. N. Clark: Design and Initial Performance of a 500-kW Vertical-Axis Wind Turbine. Trans. ASAE 34(1991)985–991, [2].
22. ↑ D. W. Lobitz: Dynamic Analysis of Darrieus Vertical Axis Wind Turbine Rotors. Sandia National Laboratories Report, SAND80-2820, l98l, [3].
23. ↑ T. G. Carne: Guy Cable Design and Damping for Vertical Axis Wind Turbines. Sandia National Laboratories Report, SAND80- 2669, l98l, [4].
24. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 172 in der Google Buchsuche).
25. ↑ Vertical Axis Turbine
26. ↑ Gorlov Helical Turbine