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). Im Gegensatz zu historischen Vorbildern wie der chinesischen Windmühle (Klappflügel-Rotor) ist er ein Schnellläufer. Der Rotor wurde von dem Franzosen Georges Jean Marie Darrieus erfunden. In der ursprünglichen französischen Patentschrift von 1925 ist sein Name nicht genannt. Dies ist erst in der amerikanischen von 1931 der Fall. 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.

Wirkungsweise und aerodynamische Auslegung

Auf die Flächen eines ruhenden Rotors werden durch das mit der Geschwindigkeit vs strömende Fluid (Luft) Kräfte ausgeübt. Die immer senkrecht auf der Strömungsrichtung stehende Kraft Fd ist der dynamische Auftrieb. Diese Kraft kann vektoriell zerlegt werden in die auf das Rotorlager wirkende Kraft Fl und die in Umfangsrichtung (tangential) wirkende Antriebskraft Fa. Bei einem ruhenden Rotor mit zwei Flügeln ergeben sich die gegensätzlich gerichteten Kräfte Fa und –Fa. Die Drehmomente Fa·a und −Fa·a kompensieren sich. Der Rotor dreht sich nicht.

Darrieusrotoren laufen also nicht von alleine an. Sie müssen angeworfen werden. Bei kleinen Anlagen kann das manuell geschehen, bei größeren motorisch (meist Elektromotoren). Eine einfache Lösung des Anlaufproblems stellt die Kombination eines Darrieusrotors mit einem Savoniusrotor dar. Letzterer läuft von alleine an.

Wird der Rotor in Drehung versetzt, wird jede Fläche unterschiedlich angeströmt. Dabei ist vr die vektorielle Überlagerung aus Windströmung vs und Fahrtwind vu. Die resultierenden Strömungen erzeugen während eines Rotorumlaufs unterschiedliche Kräfte (sowohl richtungs- als auch betragsmäßig) auf die Flächen. Die Kraftkomponenten Fa in tangentialer Richtung bewirken Drehmomente, die die Rotation aufrechterhalten, so dass eine Energieentnahme möglich ist. Das während einer Umdrehung erzeugte Drehmoment M = Fa·a ist nicht konstant, sondern schwankt wegen der variierenden resultierenden Anströmung vr.

Der dynamische Auftrieb Fd ist umso größer, je größer der effektive Anstellwinkel α zwischen der tangential orientierten Fläche und der resultierenden Strömungsrichtung ist (Auftriebsbeiwert). Dies gilt jedoch nur bis α ≈ 15° (bei größeren Winkeln Strömungsabriss). In Bewegungsrichtung der Flügel entsteht eine Widerstandskraft Fw, die ebenfalls vom Anstellwinkel α abhängig ist (Widerstandsbeiwert). Damit der Rotor Energie abgeben kann, müssen die während eines Umlaufs wirkenden Antriebskräfte Fa die Widerstandskräfte überwiegen. Fa kann während eines Umlaufs in bestimmten Bereichen der Drehung auch negative Werte annehmen, d. h., bremsend wirken. Ferner wirken bei Rotation auf die Flügel Zentrifugalkräfte Fz. Die Lagerbelastung des Rotors ergibt sich aus der vorzeichenbehafteten Summe der Kräfte Fl und Fz.

Darrieusrotoren werden mit zwei bis vier Flächen gebaut, die zur Widerstandsverringerung (in tangentialer Richtung) ein stromlinienförmiges Profil (NACA) aufweisen. Die Flächen sind normalerweise tangential angestellt, können aber auch in einem bestimmten Winkel gegen die tangentiale Richtung angeordnet sein.

Versuche, die Flächen während der Umdrehung in geeigneter Weise zu verschwenken (Vorbild: Voith-Schneider-Antrieb), waren bisher nicht von Erfolg gekrönt. Schon vor Darrieus wurden Schwenkflügelpropeller in Erwägung gezogen (siehe Fig. 1 in seinem Patent) und auch gebaut (z. B. Klappflügelwindmühlen). Darrieus wollte aber im Gegensatz dazu eine Turbine ohne Schwenkflügel schaffen, die nicht in den Wind gedreht werden musste. Das ist der Grundgedanke seines im Patent dargelegten Konzepts. Das große Potential des Schwenkflügelprinzips für einen Schiffsantrieb hat Ernst Schneider erkannt.

Bei Darrieusrotoren handelt es sich um sogenannte Schnellläufer, d. h., der Betrag der Umfangsgeschwindigkeit vu muss größer als die Geschwindigkeit der Fluidströmung vs sein. Ansonsten ist die resultierende Anströmung kaum verwertbar. Das Verhältnis von vu zu vs wird durch die Schnelllaufzahl charakterisiert. Typisch sind Schnelllaufzahlen von 3 bis 5. Die Drehzahlregelung des Darrieusrotors ist problematisch. Beispielsweise vergrößert sich bei hoher Windgeschwindigkeit auch die Umfangsgeschwindigkeit des Rotors entsprechend der Schnelllaufzahl. Wird die Drehzahl in so einem Fall (z. B. aus Gründen der Stabilität) abgebremst, verändert sich die resultierende Anströmung in ungünstiger Weise. Das nutzbare Drehmoment verringert sich.

Im Bild sind für eine Schnelllaufzahl 5 die Verhältnisse beim Umlauf eines Flügels qualitativ dargestellt. Es ist ersichtlich, dass das Maximum der Antriebskraft bei 0° bzw. 180° liegt. Das resultierende antreibende Drehmoment Mr wird bei 90° und 270° negativ, da dort keine Antriebskraft, wohl aber die Widerstandskraft Fw (Strömungswiderstand) wirkt. Bei einem Zweiflügelrotor durchläuft das Drehmoment während eines Umlaufs immer negative Werte. Erst beim Dreiflügler ist dies nicht der Fall.

Strömung (blau) und Kraft (rot) mit Vortriebskomponente (grün) an einem Blatt eines Darrieus-Rotors, dargestellt im Ruhesystem des Blattes. Das Profil (grau eingezeichnet) ist der Typ NACA 0015, die Schnelllaufzahl beträgt 4, der Luftwiderstand ist vernachlässigt. Der Auftrieb ist als quadratisch von der Geschwindigkeit und linear vom Winkel abhängig angenommen.

In der beistehenden Animation ist die Abhängigkeit des Auftriebs vom effektiven Anstellwinkel und der Geschwindigkeit berücksichtigt. Dem aus der Drehbewegung resultierenden Fahrtwind, der die Rotorblätter stets von vorne trifft (fester schwarzer Pfeil), überlagert sich der wahre Wind, der aus Sicht eines Rotorblattes ständig umläuft (rotierender schwarzer Pfeil). In der Summe bilden sie die Anströmung des Profils (blau). In dessen Arbeitsbereich (siehe Polare) wirkt nun die Luftkraft (rot) nahezu senkrecht zur Anströmung, sodass eine Komponente dieser Kraft in Bewegungsrichtung als Vortrieb wirksam wird (grün). Die vertikale Linie zeigt den Variationsbereich der Wechsellast, welche nur die Konstruktion beansprucht, aber 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. Abhilfe brächte eine dynamische Verstellung der Blattwinkel während des Umlaufs. Experimente in dieser Richtung waren bisher nicht erfolgreich.

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. Die erhöhte Rotormasse und die im Vergleich zu klassischen Rotoren schmalere Leistungskurve senken in turbulenten Windverhältnissen die Ausbeute.

Beim klassischen Darrieus-Rotor, dessen Blätter wie ein Sprungseil als Kettenlinie gebogen sind, nimmt im achsnahen Bereich der Fahrtwind ab und die Schwankungsamplitude der Anströmungsrichtung zu. Fortgeschrittene Konstruktionen verwenden dort dickere, weniger stall-empfindliche Profile und größere Profiltiefen.

Konstruktion

H-Darrieus-Rotor

H-Darrieus-Rotor in Dülmen-Rorup
Darrieus-Helix-Rotor

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.

Falls die Rotorblätter als spiralförmig gebogene Blätter ausgeführt werden, handelt es sich um einen Helix-Darrieus-Rotor und Modelle mit solchen Rotoren haben ein gleichmäßigeres Drehmoment und benötigen keine Anfahrhilfe, solange eine eisenlose Generatorwicklung (geringes Anlaufdrehmoment, kein Rastmoment der Magnete) genutzt wird.

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

Die abgebildete Windkraftanlage (WKA) zeigt die einzig noch existierende Großanlage dieser Bauform in 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, ähnliche WKA aus der Versuchsreihe ist noch im Besitz des Betreibers. Diese ist jedoch nicht wieder aufgebaut worden.

Eine windrichtungsgeführte Blattwinkelverstellung (giromill) kann das Anlaufverhalten und den Wirkungsgrad verbessern. Das Prinzip ist bereits seit den frühen 1970er Jahren bekannt. Dem höheren Wirkungsgrad und besserem Anlaufverhalten steht die Wirtschaftlichkeit bestimmend der höhere Bauaufwand entgegen. Im Bereich bis zu 10 kW Nennleistung werden kommerzielle Anlagen, die mit einer windrichtungsgeführten Blattverstellung arbeiten, beworben. Ob bzw. in welcher Zahl solche Anlagen in Betrieb sind, ist nicht bekannt.

Nutzung im Wasser

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

Entwicklungsgeschichte anhand von Beispielen

Dornier-Vertikalachser bei Heroldstatt

Literatur

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

Einzelnachweise

  1. ↑ Patent FR604390A: Turbine à axe de rotation transversal à la direction du courant. Angemeldet am 9. Oktober 1925, veröffentlicht am 3. Mai 1926, Anmelder: Leblanc Vickers Maurice SA, Erfinder: Georges Jean Marie Darrieus.‌
  2. ↑ Patent US1835018A: Turbine having its rotating shaft transverse to the flow of the current. Angemeldet am 8. Dezember 1931, veröffentlicht am 1. Oktober 1928, Anmelder: Darrieus Georges Jean Marie, Erfinder: Darrieus Georges Jean Marie.‌
  3. ↑ Henze, Krug: Fahrzeug- und Windradaerodynamik (Vorlesungsskript). RWTH Aachen, abgerufen am 30. August 2025.
  4. ↑ 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, PDF.
  5. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 173 in der Google-Buchsuche).
  6. ↑ Lars Åkesson (SP Technical Research Institute of Sweden): Wind Energy Technology Survey for Ferry Free E39 Project, 5/2012, ISSN 0284-5172.
  7. ↑ R. N. Clark: Design and Initial Performance of a 500-kW Vertical-Axis Wind Turbine. Trans. ASAE 34(1991)985–991, PDF (Memento vom 24. Oktober 2011 im Internet Archive).
  8. ↑ D. W. Lobitz: Dynamic Analysis of Darrieus Vertical Axis Wind Turbine Rotors. Sandia National Laboratories Report, SAND80-2820, l98l, PDF.
  9. ↑ T. G. Carne: Guy Cable Design and Damping for Vertical Axis Wind Turbines. Sandia National Laboratories Report, SAND80- 2669, l98l, PDF.
  10. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 172 in der Google-Buchsuche).
  11. ↑ Desire de Gourieres: Les éoliennes : Théorie, conception et calcul pratique. Editions du Moulin Cadiou, Paris, 2008, ISBN 978-2-9530041-0-6, S. 132 (Fig.109).
  12. ↑ Robert V. Brulle: Engineering the Space Age – A Rocket Scientist Remembers (Memento vom 13. August 2012 im Internet Archive) (PDF; 4,7 MB), Air University Press, Alabama, 2008.
  13. ↑ Paul Gipe: Wind Energy Comes of Age, Wiley, 1995, eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche.
  14. ↑ Windgate Produktseite. Archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 10. August 2011; abgerufen am 30. August 2012.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.
  15. ↑ Schweizer Fernsehen, einstein, 27. August 2009. Archiviert vom Original am 27. Februar 2014; abgerufen am 30. August 2012.
  16. ↑ James Glynn, Kirsten Hamilton, Tom McCombes, Malcom MacDonald: Marine Power Project: Vertical Axis Turbine. In: 'Marine Current Resource and Technology Methodology' Website. University of Strathclyde, 30. April 2006, abgerufen am 10. Juni 2019 (englisch).
  17. ↑ GCK Technology Inc.: The Gorlov Helical Turbine. Archiviert vom Original am 18. Oktober 2018; abgerufen am 10. Juni 2019 (englisch).
  18. 1 2 Winds of Change: American Turbine makes 1975 – 1985
  19. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 85–87 in der Google-Buchsuche).
  20. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 170 in der Google-Buchsuche).
  21. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 172 in der Google-Buchsuche).
  22. ↑ Alan Jaroslovsky: Memorandum of Decision Re: Ownership of Windmills. United States Bankruptcy Court – Northern District of California, 23. April 1999, archiviert vom Original am 31. Dezember 2010; abgerufen am 19. September 2011 (englisch).
  23. 1 2 Dörner: Darrieus-Rotor
  24. ↑ Paul Gipe: Wind energy comes of age. Wiley, 1995, ISBN 0-471-10924-X (S. 104 in der Google-Buchsuche).
  25. 1 2 laut Schautafeln an der Anlage, zu sehen in einem Video von Peder Tee: Darrieus Windkraftanlage Heroldstatt. YouTube, 26. August 2016.
  26. ↑ Dörner: Windenergieprojekte in Baden-Württemberg
  27. ↑ 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.
  28. ↑ Geowissenschaften Heft 12, Dezember 1993, Verlag Ernst&Sohn, S. 419, 420.
  29. ↑ F. Zastrow: Windenergie. Vorlesung an der Hochschule Bremerhaven, Bremerhaven, 2006. Berechnung und Messung
  30. ↑ Homepage der Fa. Quiet Revolution uk & ireland market (Memento vom 25. März 2015 im Internet Archive) 2012.
  31. ↑ treehugger.com: Vertical Axis Turbine Maker Builds on Olympic Success.
  32. ↑ Blog der Firma
  33. ↑ MTI Energy Management: Bildbericht über Herstellung und Aufbau (Memento vom 6. Oktober 2011 im Internet Archive) (Webarchiv)
  34. ↑ Gang Rapids Business Journal: Grant helps MAREC tenant (Memento vom 16. Oktober 2011 im Internet Archive) (25. Okt. 2010, Webarchiv)
  35. ↑ Upper Michigans Source: Wind turbine spins briefly in Ishpeming (Memento vom 20. April 2014 im Internet Archive) (10. Juni 2011, Webarchiv)
  36. ↑ Zach Jay: No date for wind turbine replacement; Ishpeming facility hasn’t generated anything but anger, controversy. The Mining Journal, 18. September 2014.
  37. ↑ Nähere Angaben fanden sich in einer Präsentation des Herstellers
  38. ↑ technepolis group: Evaluation der Forschung (Memento vom 24. Oktober 2011 im Internet Archive) (Feb. 2009; PDF; 932 kB)
  39. ↑ Sandra Eriksson et al.: Tip speed ratio control of a 200 kW VAWT with synchronous generator and variable DC voltage. Energy Science & Engineering 1, 2013, doi:10.1002/ese3.23.
  40. ↑ Jon Kjellin et al.: Electric Control Substituting Pitch Control for Large Wind Turbines. Journal of Wind Energy, 2013 doi:10.1155/2013/342061.
  41. ↑ September 2020 – Die Vertical Sky ist fertig gebaut. Newsbeitrag, Agile Wind Power, abgerufen am 30. April 2021.
  42. ↑ Windböe sorgte für Windrad-Unfall in Grevenbroich. Newsbeitrag des WDR vom 8. Februar 2021.
  43. ↑ Technologie - Vertical Sky. Agile Wind Power, archiviert vom Original (nicht mehr online verfügbar) am 30. April 2021; abgerufen am 20. November 2019.  Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis.