Rotoren mit vertikaler Achse
So gut wie alle Windkraftanlagen haben eine horizontale Achse. Außerdem hat
der Rotor, der diese Achse antreibt, in aller Regel drei Flügel. Nur selten sieht
man Anlagen mit zwei Flügeln, geschweige denn solche mit anderen Blattzahlen,
die technisch durchaus möglich wären. Denn die Konstruktion mit drei Blättern
gilt als optimaler Kompromiß zwischen Schnelläufigkeit und Stabilität.
Es gibt indessen Windkraftanlagen, die sich noch mehr vom gewohnten Bild eines
dreiflügeligen, horizontal drehenden Rotors unterscheiden, weil bei ihnen der
Rotor auf einer vertikalen Achse sitzt. Für die Netzeinspeisung von Windstrom
sind diese Bauarten bedeutungslos geblieben. Man trifft sie deshalb nicht in den Windparks
an, sondern allenfalls auf einem Versuchsfeld oder in irgendeiner Nische der Anwendungspraxis.
Vom Prinzip her sind sie es aber wert, ebenfalls vorgestellt und für künftige
Anwendungen im Auge behalten zu werden.
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Darrieus-Rotor
Der Darrieus-Rotor, den der Franzose Georges Darrieus 1929
erfand, arbeitet nach dem Auftriebsprinzip. Wer das zwiebelförmige Gebilde
mit seinen zwei oder drei gebogenen Flügelblättern sieht, dürfte
sich erst mal wundern, weshalb es überhaupt zu funktionieren vermag.
Ein Fachmann wird dazu etwa folgende Erklärung geben: "Die aus der Wind-
und der negativen Umfangsgeschwindigkeit vektoriell zusammengesetzte Anblasgeschwindigkeit
des umlaufenden Rotorblatts liefert mit dem sich ändernden Anstellwinkel
Alpha ein positives Drehmoment." Der Darrieus-Rotor erreicht nur etwa 75
% des Wirkungsgrades von Propeller-Rotoren und stellt höhere Ansprüche
an die Windstärke. Ein weiterer Nachteil ist, daß er eine Anlaufhilfe
braucht. Dafür arbeitet er auch bei schnell wechselnden Windrichtungen
optimal, ohne daß eine Nachführung erforderlich ist. Er ist einfach
zu montieren und zu warten. Alle sonstigen Bauteile können problemlos
in einer Bodenstation untergebracht werden.
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H-Rotor
Der H-Rotor ist eine H-förmige Abwandlung des Darrieus-Rotors. Er empfiehlt
sich als besonders robuste Windenergie-Anlage, die z.B. auch in der Antarktis eingesetzt
werden kann. Mit seinen zwei bis drei senkrecht umlaufenden Rotorblättern nutzt
er das Auftriebsprinzip. Der Synchron-Generator ist als "Wanderfeld-" bzw. Ringgenerator
in Rotor und Achse integriert: Mit dem Rotor drehen sich ringartig angeordnete Dauermagneten
um die am Mast angebrachten Wicklungen des Stators und erzeugen so den Strom. Die
im Generator erzeugte Wechselspannung wird gleichgerichtet und durch einen Umrichter
an das Netz angepaßt. Bei dieser Bauart entfallen Getriebe, Rotorblattverstellung
und Windnachführung. Außerdem verringert sich durch die relativ niedrige
Blattgeschwindigkeit die Geräuschentwicklung.
Der hier abgebildete H-Rotor 20/60 hat eine Nennleistung von
20 kW. Die drei Rotorblätter, die jeweils 6 m lang sind, drehen sich
in 8,4 m Höhe mit einer maximalen Blattgeschwindigkeit von 31 m/sec.
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Savonius-Rotor
Die Savonius-Rotoren - zwei davon sind auf unserem Bild als
Anlaufhilfe in einen Darrieus-Rotor integriert - arbeiten nach dem aerodynamischen
Widerstandsprinzip: Der Wind findet auf einer Seite der Achse einen höheren
Widerstand (Schaufelöffnung) als auf der anderen (Schaufelrückseite).
So ergibt sich ein Drehmoment, das beide Schaufeln abwechselnd in Windrichtung
bringt. Durch die Formgebung der Schaufeln, die sich in Achsnähe so
überlappen, daß der Wind nach der Umlenkung an der einen Schaufel
in die nachfolgende strömt, wird zugleich in geringem Maße auch
das Auftriebsprinzip genutzt.
Savonius-Rotoren werden oft für Entlüftungszwecke
verwendet, z.B. auf Fabrikhallen oder Krankenwagen. Sie laufen schon bei relativ
geringen Windstärken an. Ihr Wirkungsgrad erreicht etwa 23 %. Sie sind
sehr materialaufwendig, was bei größeren Abmessungen Gewichtsprobleme
aufwirft. Für größere Leistungen sind sie deshalb nicht geeignet.
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