Der vernachlässigte „Eierschläger“ – das Leben der Darrieus-Windkraftanlage

Autor: Cheng Mingchen

Der Artikel stammt vom offiziellen Account der Science Academy (ID: kexuedayuan)

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Das 21. Jahrhundert war geprägt vom Aufkommen sauberer, erneuerbarer Energien. Darunter schreitet die Entwicklung der Windenergie besonders schnell voran. In den Augen der Menschen sehen alle Windkraftanlagen gleich aus: eine „supergroße Windmühle“, bestehend aus einer hohen Säule und drei schlanken Rotorblättern. Tatsächlich sind im Laufe der langen Entwicklung der Windkrafttechnologie nach und nach verschiedene Windturbinen entstanden.

Es gibt zum Beispiel eine Art Windturbine, die wie ein Schneebesen aussieht …

Bildquelle: Veer Gallery

Ein Neuling, der ignoriert wurde

Historischen Aufzeichnungen zufolge lässt sich die erste Windmühle der Welt auf die persische Region im 2. Jahrhundert v. Chr. zurückführen (heute Iran, wo einige Windmühlen noch heute in Betrieb sind). Es handelte sich um eine Windturbine mit vertikaler Achse, die zum Pumpen von Wasser und Mahlen von Getreide verwendet wurde. Anschließend wurden im 18. Jahrhundert Windmühlen mit horizontaler Achse, wie sie in den Holländischen Windmühlen zum Einsatz kamen, populär. Zur gleichen Zeit erfand der Brite Sir James Blyoth die erste Windturbine mit vertikaler Achse und markierte damit den Beginn der Windturbinen mit vertikaler Achse.

Die älteste iranische Windmühle (vertikale Achse) (Bildquelle: video.nationalgeographic.com)

Windkraftanlagen sind ein allgemeiner Begriff für Geräte, die Windenergie in elektrische Energie umwandeln. Derzeit richten sich die Drehachsen fast aller großen Windkraftanlagen weltweit nach der Windrichtung und verlaufen grundsätzlich parallel zum Boden. Sie werden „Horizontalachsen-Windturbinen“ genannt. während die Drehachsen von „Vertikalachsen-Windkraftanlagen“ senkrecht zur Windrichtung und in der Regel auch senkrecht zum Boden stehen.

Oberflächlich betrachtet liegt der Unterschied zwischen den beiden Windturbinen in der Richtung der Hauptachse, der wesentlichste Unterschied besteht jedoch darin, ob sie dem Wind zugewandt sein müssen. Die Windrichtung ändert sich in der Natur ständig. Wenn eine Windturbine mit horizontaler Achse mehr Windenergie einfangen möchte, muss sie daher rechtzeitig an Änderungen der Windrichtung angepasst werden, und die Spitze muss in Windrichtung zeigen (ähnlich wie eine Sonnenblume zur Sonne). In der Realität ist es für das Windrad jedoch schwierig, der Windrichtung vollständig zu folgen. Vertikalachsige Windkraftanlagen können jedoch weitestgehend Windenergie aus allen Richtungen aufnehmen, ohne dass dabei Windprobleme berücksichtigt werden müssen.

Horizontalachsige Windturbinen, die eine Echtzeit-Windüberwachung erfordern (Bildquelle: cinelines.com)

Es gibt viele Arten von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse, die grundsätzlich grob in zwei Kategorien unterteilt werden können: Widerstandstyp und Auftriebstyp. Es wird nur die Hälfte der Windempfangsfläche einer Windkraftanlage vom Widerstandstyp genutzt und der Leistungskoeffizient der Einheit ist niedrig und liegt im Allgemeinen nicht über 15 %. Zu den gängigen Formen gehört der S-Typ, ein Schalenstern-Anemometer, das hauptsächlich auf dem Windturm einer Wetterstation, auf dem Dach der Kabine einer großen Windkraftanlage und auf der Spitze eines Strommasts installiert wird. Seine Energieumwandlungseffizienz (20 %) ist etwas höher als die einer gewöhnlichen Widerstandseinheit. Auch die abgebildete Spielzeugwindmühle ist eine typische Windturbine vom Widerstandstyp. Da die S-Typ-Einheit mit den Schwierigkeiten der Massenproduktion und des geringen Energieverbrauchs konfrontiert ist, hat sie im Bereich der Windenergieerzeugung Schwierigkeiten.

Schalenstern-Anemometer (S-Typ-Windkraftanlage) (Bildquelle: gifmania.co.uk)

Verdrehte und deformierte S-förmige Windturbine (Bildquelle: inhabitat.com)

Im Jahr 1931 erhielt der französische Luftfahrtingenieur Georges Jean Marie Darrieus ein Patent für eine nach ihm benannte Windturbine und war damit ein Pionier der vertikalachsigen Lift-Windturbine. Spätere Generationen sind daran gewöhnt, Windturbinen mit vertikaler Achse vom Lift-Typ als Darrieus-Windturbinen (Typ-D-Windturbinen) zu bezeichnen, die wie ein aus dem Boden ragender „Schneebesen“ aussehen. Unter allen Typen von Windturbinen mit vertikaler Achse weist die Darrieus-Windturbine den höchsten Windenergienutzungskoeffizienten, eine einfache Struktur und eine gute Kraftleistung auf. Doch mehr als 30 Jahre nach seiner Einführung wurde es nicht ernst genommen, bis es Ende der 1960er Jahre in Nordamerika zu einem Wendepunkt kam. Nach umfangreichen Forschungen kanadischer und amerikanischer Wissenschaftler konnte die Darrieus-Windturbine endlich wieder das Licht der Welt erblicken und besitzt einen ersten technischen Praxiswert.

Windpark mit installierter Darrieus-Windturbine (Fotoquelle: Pengpeng Science and Technology Network)

Warum kann der „Eierschläger“ Strom erzeugen?

Die Rotorblätter von Darrieus-Windkraftanlagen können nach ihrer Form in zwei Kategorien unterteilt werden: gebogene Rotorblätter (φ-förmig) und gerade Rotorblätter (H-förmig, V-förmig usw.), die beide im In- und Ausland verwendet werden. Die gekrümmten Schaufelblätter tragen überwiegend reine Zugkräfte und werden nicht durch Fliehkraftbelastungen beeinflusst. Die strukturelle Kraftleistung ist besser, aber ihre räumliche Position muss fest bleiben und es ist unpraktisch, Steuerungsmethoden wie eine variable Steigung zu verwenden. Daher sind die Produktionskosten der gekrümmten Klingen hoch und die Herstellung ist sehr schwierig. Bei geraden Rotorblättern werden im Allgemeinen Querarm-Kabelstützen verwendet, um eine große Biegespannung durch die Zentrifugalkraft zu verhindern. Diese Stützen erzeugen jedoch zusätzlichen aerodynamischen Widerstand und verringern die Effizienz. Zudem ist die Startleistung etwas unzureichend.

Darrieus-Windturbine mit geraden Rotorblättern (Fotoquelle: Pengpeng Science and Technology Network)

Im Aussehen unterscheiden sich die Darrieus-Windturbine und die Horizontalachsen-Windturbine stark. Da beide Gerätetypen für ihren Antrieb auf den Auftrieb angewiesen sind, den das Profil des Schaufelblattquerschnitts bietet, sind sie im Prinzip „ähnlich aufgebaut“. Im Folgenden finden Sie eine Analyse des Prinzips einer H-förmigen Darrieus-Windturbine (bringen Sie das Windrad in Gedanken in Bewegung~).

Funktionsprinzipdiagramm einer Windturbine vom Typ H (Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Der Rotor der H-förmigen Darrieus-Windkraftanlage im linken Bild besteht aus zwei Rotorblättern parallel zur Welle. Der Querschnitt der Blätter ist ein symmetrisches Tragflächenprofil mit stromlinienförmiger Form. Sie werden auf beiden Seiten der Windkraftanlagenwelle in entgegengesetzter Richtung installiert. Das rechte Bild listet die Blätter in acht Positionen von 0° bis 315° auf. Der Wind weht von links nach rechts und der durch das Profil des Blattquerschnitts erzeugte Auftriebswiderstand treibt den Windrotor in Rotation. Während des normalen Betriebs ist der Widerstand, dem die Klinge ausgesetzt ist, sehr gering und in der Abbildung nicht markiert.

Die Komponente der kombinierten Auftriebs- und Widerstandskraft in Richtung der Vorwärtsbewegung der Rotorblätter ist die Kraft, die den Windrotor zum Drehen antreibt. Durch die Analyse der Kraftverhältnisse der Blätter in diesen acht Winkeln lässt sich feststellen, dass mit Ausnahme der relativen Windgeschwindigkeiten bei 0° und 180°, die keinen Auftrieb erzeugen, die auf die Blätter in den anderen sechs Positionen ausgeübten Auftriebskräfte ein Drehmoment in Bewegungsrichtung erzeugen können. Mit anderen Worten: Da sich die Blätter in unterschiedlichen Winkeln wie der Windrotor drehen, gibt es fast immer ein Drehmoment, das den Windrotor dazu bringt, sich in die gleiche Richtung zu drehen. Aus diesem Grund kann die Darrieus-Windturbine bei Winden jeder Richtung betrieben werden.

Vorteile der Darrieus Windturbine

Die Darrieus-Windturbine und die horizontalachsige Dreiblatt-Windturbine sind Vertreter einer vertikalachsigen bzw. einer horizontalachsigen Windturbine. In Bezug auf die kommerzielle Entwicklung haben die beiden eine lange und erbitterte Konfrontation erlebt. Obwohl die Windturbine mit vertikaler Achse ein Misserfolg war, bedeutet das nicht, dass sie keinerlei Vorteile bietet. Im Gegenteil, es bietet neben dem bereits erwähnten Wegfall zusätzlicher Windleitmechanismen und der Vermeidung von Energieverlusten noch viele weitere Vorteile:

Geringe Lärmbelästigung, förderlich für die Integration in Hochhäuser

Durch die großflächige Entwicklung und den Bau von Windparks in abgelegenen Gebieten rücken die Windturbinen nun näher an Wohngebiete heran. Aber diese großen Kerle sind nicht so sanftmütig, wie sie aussehen. Wenn die Rotorblätter von Windkraftanlagen durch die Luft fegen, erzeugen sie einen dröhnenden aerodynamischen Lärm, der den Alltag der Anwohner beeinträchtigt. Viele Menschen werden durch niederfrequenten Lärm gequält und haben täglich Schwierigkeiten einzuschlafen.

Die Windturbine mit vertikaler Achse arbeitet mit einer Geschwindigkeit von nur einem Dutzend Umdrehungen pro Minute und macht fast keinen Lärm. Daher kann es in dicht besiedelten Städten Fuß fassen und auf den Dächern von Hochhäusern installiert werden, um die Integration von Windenergieerzeugung und Gebäuden zu erreichen und den Verbraucher direkt mit Strom zu versorgen.

Vertikale Windturbine im Inneren des Eiffelturms (Bildquelle: ecofriend.com)

Vertikale Windturbine des Shanghai Tower (Fotoquelle: Sh.Eastday.Com)

Niedrige Geschwindigkeit, vogelfreundlich, starke Widerstandsfähigkeit gegen starken Wind

Die dreiblättrige Windturbine mit horizontaler Achse hat ein schlichtes und elegantes Erscheinungsbild und ihre einzigartige Form ist zu einer Verschönerung der natürlichen Landschaft geworden. Die Geschwindigkeit seiner Blattspitze beträgt jedoch bis zu 80 m/s. Wenn der Windpark in der Nähe von Vogelhabitaten oder Vogelzugrouten gebaut wird, stellt er eine große Gefahr für die Vögel dar. Unzählige Vögel wurden getroffen, verletzt oder sogar getötet, darunter viele seltene Greifvögel.

Windturbinen mit vertikaler Achse arbeiten mit sehr niedriger Geschwindigkeit und schaden Vögeln nicht. Darüber hinaus bietet es aufgrund seiner geringen Turmhöhe und seines starken Windwiderstands enormes Entwicklungspotenzial in den Taifun-Landegebieten an der Südostküste meines Landes.

Geringer Abstand zwischen den Einheiten, geringe Installations- und Wartungskosten

Beim Betrieb von Windkraftanlagen mit horizontaler Achse entsteht hinter dem Windrotor ein riesiger Nachlaufbereich, der die Leistung der dahinterliegenden Windkraftanlagen erheblich beeinträchtigt. Erst wenn der Abstand zwischen Vorder- und Hintereinheit das 20-fache des Windrotordurchmessers überschreitet, können die Luftstromstörungen vollständig beseitigt werden. Dies lässt die Kosten für die Kabelverlegung stark ansteigen und führt zu einer Verschwendung großer Flächenressourcen. Im Gegensatz dazu sind Einheiten mit vertikaler Achse weniger von turbulenten Luftströmungen betroffen. Tests zeigen, dass die Einheiten die größte Windenergieaufnahmekapazität haben, wenn der Abstand zwischen ihnen das Vierfache der Länge des Windrotors beträgt. Dadurch ist eine dichte Anordnung der Anlagen innerhalb des Windparks möglich. Darüber hinaus können Generator, Getriebe und andere schwere Geräte vertikaler Windturbinen am Boden installiert werden, die mechanischen Eigenschaften sind erheblich verbessert und sie sind einfach zu installieren und zu warten.

Die von einer horizontalen Windkraftanlage auf See erzeugte Nachlaufströmung (Bildquelle: energirs)

Allerdings weisen Windturbinen mit vertikaler Achse auch Nachteile auf, wie beispielsweise eine niedrige Gesamteffizienz bei der Energieumwandlung, Schwierigkeiten bei der Drehzahlregelung bei Betrieb mit Überdrehzahl, hohe Startwindgeschwindigkeiten und Schwierigkeiten beim automatischen Starten.

Insgesamt scheinen Windturbinen mit vertikaler Achse die größeren Vorteile zu haben. Um jedoch eine groß angelegte technische Entwicklung der Windenergieerzeugung zu erreichen, muss nicht nur die Machbarkeit der Technologie nachgewiesen werden, sondern es müssen auch die aerodynamische Effizienz, die strukturelle Sicherheit, der Geräuschpegel, die Umweltauswirkungen, die Inputkosten und -vorteile usw. umfassend berücksichtigt werden.

Im harten Wettbewerb zwischen Darrieus-Windturbinen und Horizontalachsen-Windturbinen haben Horizontalachsen-Windturbinen im 21. Jahrhundert die Nase weit vorne und dominieren die kommerzielle Windkraftbranche vollständig. Die Windturbinen von Darrieus sind jedoch nicht verschwunden. Sie spielen noch immer eine Rolle bei der lokalen Stromversorgung in abgelegenen Bergregionen und auf Inseln in meinem Land und gewährleisten beispielsweise den langfristigen Betrieb von Beleuchtungs-, Kommunikations- und anderen Geräten.

Darrieus-Windkraftanlage mit gebogenen Rotorblättern über einer Autobahn

Den „zweiten Frühling“ einläuten: Offshore-Windenergieentwicklung

Um mehr Windenergie zu nutzen und die Stückkosten der Stromerzeugung zu senken, wurde mit Beginn des 21. Jahrhunderts die Größe von Windturbinen mit horizontaler Achse schrittweise erhöht. Gleichzeitig treten die Mängel ultragroßer Einheiten mit „hohen Türmen und langen Rotorblättern“ immer deutlicher hervor. Neben den damit verbundenen Nachteilen, wie beispielsweise hohen Betriebs- und Wartungskosten, kommt es auch zu erheblichen Auswirkungen auf die ökologische Umwelt. Infolgedessen rückten Windturbinen mit vertikaler Achse erneut in den Fokus der Öffentlichkeit und es kam zu einer Welle von Forschungsarbeiten zu Darrieus-Windturbinen.

Nach dem aktuellen Entwicklungstrend der Offshore-Windenergie wird in Tiefseegebieten mit einer Wassertiefe von mehr als 60 Metern eine Offshore-Windenergiekapazität von mehr als 2.000 GW erwartet. Daten zeigen, dass Darrieus-Windturbinen in Tiefseeumgebungen größere Vorteile bieten, beispielsweise geringere Bau-, Betriebs- und Wartungskosten. Um das Potenzial von Windturbinen mit vertikaler Achse voll auszuschöpfen, haben Forscher eine neue V-förmige Darrieus-Windturbine vorgeschlagen, die auf der Ansammlung langfristiger Anwendungstechnologie und fortschrittlicher numerischer Analysetools basiert. Vielleicht werden wir diesen erfrischend neuen Typ Windturbine schon bald zu Gesicht bekommen.

Konzeptbild der neuartigen V-förmigen Offshore-Windturbine Darrieus (Bildnachweis: Aerogenerator)

Obwohl Darrieus‘ Windturbine im Kampf um Land zu Beginn des 20. Jahrhunderts scheiterte, deuten ihre verschiedenen Eigenschaften darauf hin, dass sie auf See über ein großes Konkurrenzpotenzial verfügt. Allerdings haben Windturbinen mit vertikaler Achse noch einen langen Weg vor sich, wenn sie nach einer langen Ruhephase schnell erwachsen werden, einen zweiten Lebensabschnitt erleben und mit herkömmlichen Windturbinen mit horizontaler Achse konkurrieren wollen.

Quellen:

[1]https://energy.sandia.gov/programs/renewable-energy/wind-power/offshore-wind/#float-vawt

[2] http://news.cntv.cn/20110720/108118.shtml

[3] Blackwell, BF, et al. „Stand der technischen Entwicklung der Darrieus-Windturbine.“ Journal of Energy, Bd. 1, nein. 1, 1977, S. 50–64.

[4]Aerogenerator-Turbine sticht in See in eine grünere Zukunft. Online verfügbar: http://www.guardian.co.uk/technology/2008/jan/29/wind.energy.aerogenerator (abgerufen am 10. Mai 2019)

[5] http://www.pengky.cn/zindex.html.