Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen
Der Savonius-Rotor weißt neben diversen Nachteilen auch einige Vorteile auf, die seine Nutzung nahe legen. Ein Vorteil liegt beispielsweise in der einfachen Montage sowie dem leichten Aufbau. Auch das relativ hohe Drehmoment bei einer vergleichsweise niedrigen Drehzahl wirkt sich vorteilhaft aus. Weitere Vorteile sind, dass der Savonius-Rotor unabhängig von der Windrichtung gebraucht werden kann. Das heißt, eine Windausrichtung ist nicht erforderlich. Dies ermöglicht unter anderem bereits einen Einsatz bei geringen Windgeschwindigkeiten ab zwei bis drei Meter je Sekunde. Außerdem ist der Zusammenschluss mehrerer Rotoren zu einer großen Anlage möglich.
Diese sogenannte Kopplung kann sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Verbund erfolgen. In der Regel verfügen Windkraftanlagen, die mit einem Savonius-Rotor ausgestattet sind, über eine integrierte Leistungsbegrenzung. Ist diese vorhanden, sind die Anlagen sturmsicher. Das bedeutet, zu hohe Windgeschwindigkeiten können aufgrund einer zu hohen Leistung keinen Schaden an dem Rotor verursachen. In der Vergangenheit hat sich der Rotor gegenüber vielen Winderscheinungen als besonders robust erwiesen. Unter anderem weist die Maschine eine besonders hohe Toleranz gegenüber Luftturbulenzen auf, die standortbedingt im Wind enthalten sein können. Ändert sich die Anströmungsrichtung, sind ebenfalls Wirkungsgradverluste kaum spürbar. Der Rotor ist so konzipiert, dass er auch böige Winde gut ausgleichen kann. Aufgrund der installierten Massenträgheit kann der Rotor abrupte Strömungswechsel ausgleichen. Zudem werden die Blattschaufeln, die sich auf einer vertikalen Drehachse befinden, gleichmäßig von der Gravitation beeinflusst. Außerdem sprechen die kaum wahrnehmbaren Laufgeräusche für diese vertikale Rotationsachse. Anwohner der angrenzenden Gebiete fühlen sich durch eventuelle Geräusche nicht gestört. Ein nächster Vorteil ist die Zweipunkte-Lagerung, die sich auf den oberen und den unteren Bereich der Turbine verteilen. Durch diese Bauweise werden die Belastungen auf zwei Lagerpunkte verteilt, die relativ weit auseinander liegen. Die einzelnen Lager werden dadurch weniger anfällig für Verschleißerscheinungen.
Ein klarer Nachteil sind die Leistungsbeiwerte des Rotors. Ausgehend davon, dass die Leistungsbeiwerte bei geschätzten 28 Prozent liegen, kann der Savonius-Rotor diesbezüglich nicht mit Windenergieanlagen Schritt halten, die mit einer horizontalen Rotorachse ausgestattet sind. Zudem sind die Blattschaufeln ständigen Lastwechseln ausgesetzt. Diese ergeben sich aus dem dauerhaften Wechsel der Anstellwinkel zur einwirkenden Strömung. Die entstehenden Lastwechsel sorgen, in Kombination mit den Fliehkräften, Schwingungen und Materialbelastungen. Als typisches Belastungsmerkmal eines Savonius-Rotors gilt die ausgeprägte Unwucht, die sich infolge der unterschiedlich starken, zyklischen Belastung aufgrund der Strömung während der Rotation ergibt. Diese tritt auch dann auf, wenn die Gewichtsverteilung perfekt austariert ist. Minimiert werden kann die Unwucht, wenn die Schaufelanzahl, die in der Regel bei zwei liegt, auf meist drei oder mehr erhöht wird. Eine Unwucht entsteht allerdings nicht ausschließlich als eine Folge der unterschiedlichen Belastung. Sie kann auch dann auftreten, wenn eine starke Strömung zu einer Verformung führt. Dieser Fall tritt beispielsweise dann auf, wenn die Konstruktion nicht ausreichend stabil gehalten wird. Ab einer Größe von ungefähr 25 Quadratmetern wird die auftretende Unwucht jedoch so gravierend, dass sie kaum noch beherrschbar ist. Aus diesem Grund können die Savonius-Rotoren nicht für alle Windkraftanlagen verwendet werden. Um die Unwuchten infolge der zur Strömung ausgerichteten Frontalflächen beherrschbar zu machen, empfiehlt sich eine kleinere Rotorabmessung. Bei Anlagen mit einer kleineren Rotorabmessung kann zudem mit einer feststehend aufgestellten Einleitfläche die Strömung erhöht werden.
Hingegen ist es auch möglich, den Savonius-Rotor, der in der Regel mit einer vertikalen Rotationsachse ausgestattet ist, mit einer horizontalen Drehachse zu betreiben. Da in diesen Fällen jedoch zusätzliche Lastwechsel, hervorgerufen durch die Gravitation, entstehen, ist die Beanspruchung höher als bei der herkömmlichen Bauweise. Wird der Rotor jedoch unterhalb der Wasseroberfläche genutzt, ist der Gravitationseffekt infolge der spezifischen Gewichtsrelativierung kleiner oder hebt sich sogar auf. Allerdings ist dafür auch unter Wasser eine Strömung notwendig.
Eine andere Bauart der vertikalen Rotationsachse ist der Darrieus-Rotor. Zwar ist der Darrieus-Rotor für die derzeitige Windkraftnutzung eher unbedeutend, allerdings könnte diese besondere Windkraftanlage zukünftig eine stärkere Rolle spielen. Die scherzhafte Bezeichnung für seine besondere Form lautet ‚egg-beater‘ und bedeutet so viel wie Schneebesen. Diesen Beinamen bekam der Darrieus-Rotor aufgrund der Tatsache, dass die Rotorblätter am oberen sowie am unteren Ende der Achse, welche senkrecht zum Erdboden verläuft, befestigt werden. Deshalb ragen die Blätter bogenförmig nach außen. In ihrer bogenförmigen Anlage folgen die Rotorblätter der sogenannten Kettenlinie. Das hat zur Folge, dass sie infolge der Zentrifugalkraft keinem oder einem sehr geringen Biegemoment ausgesetzt sind. Die Blätter, die ebenfalls als Flügel bezeichnet werden, bewegen sich auf einer Kreisbahn um die Rotationsachse. Dabei werden sie auf einem Teil ihres Umlaufs, also der Kreisbewegung, nicht optimal vom Wind angeströmt. Aus diesem Grund ist der Erntegrad eines Darrieus-Rotors niedriger als bei einer Windenergieanlage mit einer horizontalen Rotationsachse. Die reguläre Obergrenze des Leistungsbeiwerts eines Darrieus-Rotors liegt bei 0,55.
Dieser Rotor arbeitet nach dem Auftriebsprinzip. Die Strömung an einem Rotorblatt ergibt sich aus der Vektoraddition der Drehgeschwindigkeit mit der jeweiligen Windgeschwindigkeit. Vollführt nun ein Rotorblatt seinen Umlauf, verändert sich, durch die Addition, die effektive Windgeschwindigkeit. Auch die Anströmrichtung sowie der Anströmwinkel unterliegen einer ständigen Veränderung während des Umlaufs. An den Blättern ist ein dynamischer Auftrieb zu verzeichnen, der senkrecht zur Anströmungsrichtung verläuft. Das hat zur Folge, dass ein Teil des Auftriebes in Drehrichtung zeigt und das Drehmoment erzeugt. Das ist der sogenannte Vortrieb. Das maximale Drehmoment entsteht an den Stellen, an denen die Windrichtung senkrecht zu der Drehrichtung verläuft. Denn je größer der Anstellwinkel ist, desto größer wird auch die Vortriebskomponente des Auftriebs. An der Stelle, an welcher die Dreh- und die Windrichtung jedoch parallel verlaufen, entsteht kein Vortrieb, da der Anstellwinkel gleich Null ist. An diesem Punkt ist die Reibung eines realen Darrieus-Rotors sogar größer als der Vortrieb. Das bedeutet, dass ein realer Rotor an dieser Stelle sogar abgebremst wird. Wie kommt es aber zu dem Drehmoment bzw. zu der Rotation? Der Vortrieb wird als ein Impuls auf die Befestigungen der Flügel geleitet und dort, entweder durch Zug- oder durch Druckkraft in Hebelkraft umgewandelt, die wiederum die Rotation verursacht.
Der Teil des Auftriebs der Rotorblätter, welcher nicht in Drehrichtung verläuft, wirkt windaufwärts hin zu der Drehachse sowie windabwärts von ihr weg. Durch diese Bewegungen entsteht ein Lastwechsel, der die Konstruktion stark belasten kann. Die Belastung ist besonders an den Stellen hoch, an denen das Drehmoment leicht gegen die Drehrichtung wirkt. Ein- oder auch zweiblättrige Rotoren erreichen innerhalb eines Umlaufs ein- oder zweimal diesen Punkt. Das bedeutet, dass der Rotor ausreichend Drehimpuls benötigt, um genau diese Punkte zu überwinden. Aus diesem Grund läuft der Rotor vor allem mit den klassischen Flügeln besonders schlecht an. Lediglich der dreiblättrige Rotor weist ein durchgehend positives Drehmoment auf. Diese verstärkt sich sogar noch mit der Schnelligkeit seiner Drehung durch die Addition der Dreh- und Windgeschwindigkeit. Kommt es zu einem Rotorstillstand, kann kein ausreichendes Drehmoment erreicht werden, wenn ein klassisches Blattprofil mit einer geringen Flügelanzahl zur Anwendung kommt. Soll der Reibungswiderstand eines Generators bei Zuschaltung aus dem Stand überwunden werden, muss die Anzahl der Flügel erhöht, eine Anfahrhilfe durch den Generator installiert oder ein in die Konstruktion eingebauter Savonius-Rotor beteiligt werden. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, durchströmte Profile zu nutzen, die sogar bei der Nutzung von lediglich einem alleinstehenden Flügel mit Kontergewicht sowohl für das Anfahren als auch für den Betrieb unter Last ausreichen.
Eine besondere Bauweise des Darrieus-Rotors ist der H-Darrieus-Motor. Dieser verfügt über Rotorblätter mit einer geraden Längsachse. Da die Blätter in Kombination mit dem querliegenden Tragarm an den Buchstaben ‚H‘ erinnern, hat sich der Name etabliert. Die geraden Blätter des Rotors sind von der Rotordrehachse freistehend auf Tragarmen angebracht. Dadurch hat der H-Darrieus-Rotor bei einer gleichen Höhe ein größeres Drehmoment als der herkömmliche Darrieus-Rotor. Denn er erntet eine größere Fläche ab und der Hebelarm ist außen höher. Er hat sich in der Vergangenheit als besonders robust erwiesen. Er nutzt ebenfalls das Auftriebsprinzip.
Vor- und Nachteile
Die Vorteile eines Darrieus-Rotors ergeben sich größtenteils aus der Anlage seiner senkrechten Achse. Denn zum macht diese ihn unabhängig von der Windrichtung, was zur Folge hat, dass auf die Windnachführung verzichtet werden kann. Außerdem ermöglicht die Bauweise die Nutzung der turbulenten bodennahen Winde. Diese können von den konventionellen Windkraftanlagen, die mit einer horizontalen Rotationsachse ausgestattet sind, nicht genutzt werden.
Denn die Ausrichtung nach dem Wind, der vor allem in Bodennähe immer wieder Turbulenzen aufgrund der ständigen Änderung der Windrichtungen aufweist, kann nicht schnell genug realisiert werden. Die senkrechte Rotationsachse ermöglicht zudem eine bodennahe Anbringung des Generators sowie des Getriebes. Dadurch werden vor allem die Wartungsarbeiten und das Auswechseln der Teile erleichtert. Des Weiteren existiert bei dieser Bauweise keine Generatorgondel, die erst in eine bestimmte Position in Nabenhöhe gebracht werden muss. Das heißt, Lastkräne, deren Nutzung außerordentlich kostenintensiv ist, können ebenfalls eingespart werden. Ein Turm ist nicht erforderlich und sollte der Generator bei einer Windkraftanlage mit einem Darrieus-Rotor doch einmal angebracht werden, dann ist die Turmkonstruktion nicht so anspruchsvoll wie bei den Anlagen mit horizontaler Drehachse. Denn er muss keine schwere Gondel tragen und stabilisieren. Zudem kann die Beherrschung der Lasten gut gewährleistet werden, da der Rotor mit einer weit auseinander liegenden Zwei-Punkte-Lagerung ausgestattet ist. Diese ist notwendig, um die von den Rotorblättern ausgehende über die Drehachse weitergeleitete Lastenverteilung von der Lagerung auffangen zu lassen.
Ein weiterer Faktor, der sich vor allem positiv auf die Kostenbilanz auswirkt, ist der Umstand, dass als Rotorblätter Strangpressprofile eingesetzt werden können. Diese haben den Vorteil, dass sie besonders kostengünstig und als Meterware hergestellt werden können. Anders als bei dem beschriebenen Savonius-Rotor kann der Leistungsbeiwert für diesen Rotor bei Werten liegen, die größer als 0,59 sind. Windenergieanlagen mit einem Darrieus-Rotor weisen somit ein grundsätzlich höheres Ertragspotenzial auf als Horizontalachsen. Des Weiteren hat der Darrieus-Rotor einen besseren Wirkungsgrad als der Savonius-Rotor sowie im Vergleich mit anderen Vertikalachsen-Rotoren. Außerdem werden die Rotorblätter im Umlauf um die Drehkreisebene nicht durch Lastwechsel beeinflusst, die durch die Schwerkraft hervorgerufen werden.
Dadurch werden die Anlagen weniger belastet und die Kosten geringgehalten werden. Als Nachteil erweist sich jedoch der Erntegrad, der bei höchsten 40 Prozent liegt. Dies ist dadurch zu erklären, dass in einem Teil des Drehkreises, den die Rotorblätter durchlaufen, die Reibung größer ist als der Vortrieb. Auswirkungen hat ebenfalls der Entwicklungsvorsprung einiger heutiger konventioneller Windkraftanlagen, die bereits einen Erntegrad von bis zu 50 Prozent erreichen. Die Lebensdauer eines Darrieus-Rotors ist begrenzt. Die Grenze gibt in der Regel die Materialermüdung vor, die sich im Verlauf des Betriebes der Anlage einstellt. Begünstigt wird die schnelle Materialermüdung durch die Lastwechsel und deren Wechselwirkung auf die Fliehkraft an den Blättern. Außerdem benötigen diese Rotoren teilweise eine Anlaufhilfe. Als solche kann der Generator fungieren.
