TEIL C

Vertikalachsen-Rotoren

Der Darrieus-Rotor (IV)

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Im September 2009 gewinnt das Design Balloon von Bart Baccarne und seiner Firma Baccarne Design bvba aus Gent in Belgien einen 3. Preis beim IIDA Green Life 09 Designwettbewerb in Seoul, Südkorea.

Die Straßenlampen mit Darrieus-Rotor haben ihren Namen daher, weil die Blätter während ihrer Rotation eine visuell geschlossene Form bilden, die auf ihrem Ständer dann wie ein Ballon aussieht.

Im Falle einer Umsetzung sollen die Flügel aus einem neuen Material namens Biopregs bestehen, einem thermoplastisch verstärkten natürlichen Gewebe mit Mais als Matrix, die mit Naturfasern wie Flachs oder Leinen gefüllt ist.

Sinnvoll sind auch die zwei winzigen Savonius-Rotoren oben und unten als Starthilfe für die Darrieus-Turbine.

Der gewonnene Strom versorgt einen Ring mit eingelassenen LEDs. Bislang gibt es allerdings nur ein paar Grafiken von diesem Design.

Anfang 2010 erscheint in den Fachblogs das Modell eines patentierten 3-Blatt-Darrieus aus Bulgarien, in dessen Inneren sich zusätzlich ein sogenannter ‚Tornado JET Rotor’ befindet.

Über die Technologie dieser spiralförmigen Anordnung werden keine Details mitgeteilt, auf den Grafiken sieht es wie ein Spiral-Savonius aus.

Umgeben ist das Ganze von einem strömungslenkenden, pyramidalen Unterbau, der außerdem mit PV-Paneelen belegt ist.

Der Rotor von George Tonchev aus Sofia soll besonders leise und Vogel-freundlich sein. In den Animationen auf der Seite des Erfinders sieht man auch eine konzipierte Umsetzung des Systems als Stromtankstelle für Elektromobile, sowie den Entwurf für Darrieus-Reihen an Autobahnen und ähnliches mehr.

Der erfinderisch vielseitig aktive Tonchev ist außerdem Urheber eines Schlaufen-Rotors, von dem er sich aufgrund geringerer Energieverluste einen wesentlich höheren Wirkungsgrad verspricht als den von konventionellen Blättern. Der bei den Kleinmodellen eckig ausgeführte Rotor sei auch für den Einsatz in flüssigen Medien geeignet. Bislang sind allerdings nur wenige rudimentäre Experimente dokumentiert – das meiste sind mittelmäßige Grafiken und animierte Clips.

In China wird 1995 in Wenzhou, Provinz Zhejiang, die SRM Windpower Co. Ltd. gegründet, die sich auf das Design und die Produktion von kleinen und mittleren Wind-Turbinen-spezialisiert.

Später errichtet SRM ein eigenes Testfeld für seine Windkraftanlagen, und erhält im Laufe der Jahre mehr als 10 Patente. Neben Horizontalachsen-Windturbinen im Bereich von 300 W bis 30 kW, sowie Solar-Wind-Hybridsysteme von 350 W bis 8 kW, werden auch vertikale Windturbinen produziert.

Diese gibt es mit einer Nennleistung von 300 W, 500 W, 1 kW und 2 kW, wobei die beiden letzteren mit einfach gebogenen Flügeln ausgestattet sind.

Das abgebildete 2 kW Modell mit 5 Blättern hat einen Rotordurchmesser von 3 m, wiegt (ohne seinen 6 m hohen Turm) 95 kg, und besitzt eine elektromagnetische Bremse zur Drehzahlsteuerung.

Viele Informationen gibt es sonst nicht – und nach 2012 gar keine mehr.

In den Jahre 2002 – 2009 leitet des spätere Firmengründer Lin Wenqi ein F&E-Team aus 22 Personen, um eine TYPMAR Maglev Windkraftanlage zu entwickeln, die, worauf der Name ja schon hinweist, mit einer reibungsfreien magnetischen Lagerung ausgestattet ist. Dabei werden mehr als 20 Millionen RMB investiert (~ 2,5 Mio. €) - während das Team mehr als 700 mal scheitert, wie auf der Homepage des Unternehmens, nicht ohne Stolz, vermerkt wird.

Wie man auf dem Foto sieht, handelt es sich um eine Darrieus/Savonius-Kombination.

Im April 2007 kann erste Generation von 400 W Anlagen angeboten werden, und 2008 wird die Firma Shenzhen TIMAR Wind Energy Technology Co. Ltd. gegründet, die im Folgejahr offiziell eingetragen wird. Bereits Mitte 2007 kommen 600 W und 1 kW Windkraftanlagen auf den Markt, mit Verbesserungen am Generator und an den Blättern. Dies Produkte sind kombinierte Darrieus/Savonius-Rotoren.

Anfang 2009 beginnt das Unternehmen, Bestellungen für 1 kW und 1,5 kW Anlagen anzunehmen, und startet mit der Massenproduktion. Im Dezember erfolgt die Gründung der Shenzhen TYPMAR Wind Energy Technology Co. Ltd., in welcher der Vorläufer TIMAR aufgeht.

Bis 2010 erhalten alle Produkte das CE-Zertifikat, die TYPMAR etabliert ihren Hauptsitz in Baoan, Shennzhen, und installiert automatische Produktlinien für Windkraftanlagen der Modelle CXF400 CXF-600, CXF-1000, CXF-2000 und CXF-3000 (wobei die Zahlen natürlich auf die jeweilige Nennleistung verweisen). Aus den Referenzfotos ist zu entnehmen, daß die Anlagen in großen Stückzahlen hergestellt und weltweit verkauft und installiert werden, als Straßenlampen (in Kombination mit PV-Paneelen) ebenso wie auf Gebäuden – und sogar auf Dschunken.

In den Jahren 2011 und 2012 werden eine Reihe von Auszeichnungen und Preisen gewonnen, und bis Januar 2013 erhält die TYPMAR insgesamt 15 Patente. Im Oktober sind Maglev-Windturbine mit 10 kW und 35 kW bereit, um auf der Insel Nan’ao in den Testbetrieb zu gehen, wo man laut Plan bis 2016 eine 50 MW Windfarm in Betrieb nehmen will. Im April 2014 wird außerdem an zwei Anlagen von jeweils 350 kW gearbeitet.

Seit 2005 bietet die Shanghai Aeolus Windpower Technology Co. Ltd. (SAWT) H-Darrieus-Rotoren mit 5 Blättern an. Diese waren bei der 2004 in Kalifornien gegründeten Firma Global Wind Technologies entwickelt worden, die 2005 nach China umzieht und dort 2006 als SAWT Inc. neu gegründet wird.

Die Rotoren besitzen eine pneumatische Geschwindigkeitskontrolle, und werden ab Ende 2007 in großen Stückzahlen in der JinShan Industrial Zone gefertigt, in Baugrößen von 200 W, 300 W, 500 W, 1 kW, 3 kW und 10 kW.

Außerdem entwickelt das Unternehmen einen 10 W Mini-Rotor (12 V, 30 cm Durchmesser, Blattlänge 30 cm, Gewicht 2 kg), ebenso wie man die Herstellung von 50 kW, 500 kW und 1 MW Anlagen plant. Damit würde die SAWT das weltweit breiteste Angebot an Darrieus-Rotoren besitzen.

2013 bezeichnet sich die Firma als weltweit führend im Bereich der kleinen und mittleren Vertikal-Windkraftanlagen. Seit Auslieferung der ersten Turbine im Jahr 2007 sollen bereits mehr als 3.000 Anlagen in 59 Ländern auf der ganzen Welt installiert worden sein. Das Angebot umfaßt zu diesem Zeitpunkt H-Darrieus-Rotoren mit 10 W, 300 W, 1 kW, 3 kW, 5 kW, 10 kW und 50 kW (für Ende 2013 geplant).

Im Januar 2006 gründet sich in Zhuhai, Guangdong, die Firma Aerowind Systems Ltd., um kleine und effektive Windkraftanlagen, insbesondere für ländliche Gebiete in China selbst, herzustellen.

Das erste Modell des Unternehmens entspricht noch einem schlichten, geraden Darrieus, wie er bereits seit Jahrzehnten bekannt ist.

Doch schon im April 2007 zeigt die Firma eine technisch sehr viel weiterentwickelte 1,5 kW Aerospiral Anlage (1,60 m Durchmesser, 3 Blätter à 2 m Länge, Gesamtgewicht 45 kg), die bereits im Mai auf den Markt kommen soll.

Die Systeme starten bereits bei Windgeschwindigkeiten um 2 m/s und sollen einen sehr ruhigen Lauf haben.

Später werden auch kleine Horizontal-3-Blatt-Rotoren ins Angebot aufgenommen.

2008 erscheint ein Clip mit einer Umsetzung der Aerospiral-Turbine als konventioneller Spiral-Darrieus.

Mitte 2011 wird die Firma aufgelöst.

Dafür gibt es aber andere Unternehmen, welche die Lücke mit einem großen Angebot gefüllt haben, wie eine nur oberflächliche aktuelle Marktrecherche ergibt (Stand 2014).

Als nur ein Beispiel sei hier die Zhangzhou Saiam Power Technology Co. Ltd. in Fujian genannt, die mit einem Angebot aus 10 W, 20 W, 30 W, 50 W, 300 W, 1 kW, 2 kW und 5 kW H-Darrieus-Rotoren auf dem Markt ist.

In Dänemark entwirft der Architekt Jean Fisher einen 130 m hohen Turm mit 6 Darrieus-Rotoren, der 1,2 MW Strom erzeugen soll.

Sein Design schafft es im Juli 1975 auf das Titelblatt des US-Wissenschaftsmagazins Science. Umgesetzt wird dieses Projekt leider nicht.

Etwas erfolgreicher ist hingegen der Windkraftpionier und politische Aktivist Leon Bjervig, der ebenfalls 1975 mit der Entwicklung einer eigenen Windkraftanlage beginnt.

Im Jahr 1978 baut er einen 2-Blatt-Darrieus-Rotor, der sich insbesondere dadurch auszeichnet, daß die Blätter jeweils als Doppelflügel gestaltet sind (Cantilevered Bi-blade), die an einem freitragenden, sich nach oben hin verjüngenden Drehrohr befestigt sind.

Die innovative 9 kW Turbine ist aber auch in anderer Hinsicht ungewöhnlich, da der Rotor drei 3 kW Generatoren antreibt.

Das Foto der Anlage – wie auch einige andere der hier gezeigten Abbildungen – wurde 1980 von dem bereits erwähnten Paul Gipe aufgenommen, der den Darrieus als eine wunderschön gestaltete Maschine und ein Kunstwerk bezeichnet. Auch hätte er nirgendwo sonst jemals wieder ein derartiges Doppelblatt gesehen.

Bjervig arbeitet mit der Firma VEstjysk STaalteknik A/S (Vestas) zusammen, die zu diesem Zeitpunkt als Hersteller von Mobilkränen und andere schweren Maschinen bekannt ist. Neben dem 2-Blatt-Darrieus errichtet er auf dem Vestas-Gelände in Lem Ende 1979 auch noch einen dreiflügeligen, ebenfalls freitragenden Darrieus. Anschließend verkauft er seine Turbinen an den Vestas-Gründer Peder Hansen, der sich seit der Ölkrise Anfang der 1970er Jahre für Alternative Energien interessiert.

Allerdings kauft Hansen im Herbst 1979 auch die Rechte an einem konventionellen 30 kW 3-Blatt-Horizontal-Windkraftwerk der zwei Jahre zuvor gegründeten HVK Herborg Vindkraft. Dies führt dazu, daß Vestas das herkömmliche Design übernimmt – worauf Bjervig Zusammenarbeit mit Vestas endet, ohne daß er jedoch den Traum vom Bau größerer VAWTs aufgibt.

Vestas verkauft seine erste Windkraftanlage 1979, beginnt 1980 mit der Serienproduktion, und installiert im gleichen Jahr die ersten 80 Anlagen mit einer Leistung von jeweils 55 kW. 1982 wird die HVK übernommen, und Ende 1987 erfolgt die Gründung der Vestas Wind Systems A/S, die sich bis zu Jahr 2000 zum weltweit größten Windturbinenhersteller hocharbeitet – aber eben nicht mit Darrieus-Maschinen. Dazu mehr unter der Länderübersicht Dänemark.

Bjervig wiederum gelingt es zwar im Jahr 1986, das Interesse eines lokalen Stromversorgers für eine 600 kW Version seines Darrieus-Windkraftwerks zu wecken, und bis 1988 arbeitet er auch ein detailliertes Design aus – doch die Turbine wird nie gebaut, und die dänische Entwicklung von Darrieus-Rotoren kommt damit zu ihrem Ende.

Zu erwähnen ist aber, daß es während der 1970er Jahre noch andere Initiativen gibt:

So wird beispielsweise auf einem Niedrigenergie-Haus in Skive, gemeinsam mit dem Stromversorger EFFO, ein von Niels Borre entwickelter H-Darrieus-Rotor errichtet, der von der 1979 gegeründeten Firma Dansk Vindkraft Industri ApS in Slangerup hergestellt worden ist.

Er funktioniert an dem gewählten Standort allerdings so schlecht, daß er bei Vorführungen durch einen Elektromotor angetrieben werden muß.

Flemming Rasmussen und Truels Friis Petersen wiederum beschäftigen sich im Rahmen ihrer Abschlußarbeiten mit einem ebenfalls von der Dansk Vindkraft hergestellten 15 kW GiroMill-Rotor, der mit 5,5 m langen Bättern aus extrudierten Aluminium von der Firma Aluminord (einer Tochter des größten dänischen Kabelherstellers Nordisk Kabel og Tråd) ausgestattet ist und einen Durchmesser von 9 m hat. Die Anlage wird zu Versuchszwecken am RISØ aufgebaut.

Einige Seiten betrachten die Giromill-Kraftwerke nicht als Darrieus-Turbinen, da der Abstand zwischen den Blättern – während einer Umdrehung – variabel ist und durch ein zentrales mechanisches System samt Windfahne gesteuert wird. Die Stellung der Schaufeln wird dabei auch als Luftbremse genutzt.

Gegegebenenfalls werde ich dies in einem späteren Update berücksichtigen können, um dann ein eigenes Unterkapitel darüber verfassen. Bis dahin bitte ich zu tolerieren, daß ich diese Technik den Darrieus-Rotoren zugeordnet lasse.

Die Anlage mit einem Rotordurchmesser von 9 m wird etwa 1980 auf dem Testgelände des Forschungszentrums RISØ nahe Roskilde errichtet, doch die späteren Tests verlaufen nicht gut, und die Anlage wird dabei zerstört.

Aus späteren Jahren habe ich bislang nur das Architekturbüro PLH Arkitekter A/S aus Kopenhagen gefunden, das sich seit 2008 mit dem Potential der Windenergieproduktion in städtischen Gebieten beschäftigt und dabei mit dem RISØ und der TU Dänemark zusammenarbeitet.

Das erste Projekt umfaßt die Entwicklung einer Windkraftanlage, die in erster Linie für den Einsatz an größeren Gebäuden in den Industriegebieten von Städten gedacht ist.

Das Resultat ist ein längliche, liegende Variante des bekannten spiraligen Darrieus-Rotors, die direkt dem Dachrand angebracht wird. Als modulares System kann die Länge über die gesamte Dachbreite ausgedehnt werden. Während sich der Edgeflow-Rotor noch in der Entwicklung befindet, wird bereits ein Patent angemeldet.

Im Juli 2009 gründet PLH gemeinsam mit der Investitionsfirma SEED Capital und weiteren Privatpersonen die Firma Edgeflow ApS, die sich auf die Kommerzialisierung des Rotors konzentrieren wird. Etwa ab 2010 wird einen Prototyp 2 getestet, der auf einem Hügel am Eingang zum Hafen von Kalundborg errichtet ist.

Im September 2010 gewinnt Edgeflow auf der internationalen Klimakonferenz ,World Climate Solutions’ den Climate Cup 2010 Innovationspreis. Das Unternehmen rechnet nun damit, daß seine Windenergieanlagen zu Beginn des Jahres 2012 produktionsreif sein werden. Dies waren dann aber auch die bislang letzten Meldungen.

Bei dem 4-Jahres-Projekt DeepWind, das im  Oktober 2010 startet und mit 3 Mio. € durch das RP7 der EU ,Future Emerging Technologies’ finanziert wird, sollen die Technologien erkundet werden, die für die Entwicklung einer neuen und einfachen schwimmenden Offshore-Windkraftanlage mit Vertikalachsen-Rotor und schwimmendem sowie rotierendem Fundament benötigt.

Federführend für die Forschungsarbeiten ist das Risø National Laboratory for Sustainable Energy der Technical University of Denmark in Roskilde, wobei die weiteren universitären und kommerziellen Konsortiumpartner auch keine Leichtgewichte sind: Aalborg University (DK), Delft University of Technology (NL), DHI (DK), Maritime Research Institute Netherlands, MARIN (NL), Norwegian Marine Technology Research Institute, MARINTEK (NO), Alliance For Sustainable Energy LLC (NREL, USA), SINTEF Energy Research (NO), Statoil (NO), University of Trento (IT), Vestas Wind Systems A/S (DK) sowie die Nénuphar SARL (FR).

Koordiniert wird das DeepWind-Projekt von Uwe Schmidt Paulsen, während der uns schon bekannte Troels Friis Pedersen als Leiter des Versuchsprogramms agiert, das mit dem geplanten DeepWind-Demonstrators durchgeführt werden soll.

Das vorgeschlagene Konzept besteht aus einer langen vertikalen Röhre, die sich im Wasser dreht, mit einem Senkrechtachser an der Spitze, einem Generator an der Unterseite sowie dem entsprechenden Befestigungssystem am Meeresboden.

Über die üblichen Entwicklungsschritte, bis hin zur Prüfung von Bauteilen und einem Technologie-Demonstrator im niedrigen Kilowatt-Bereich, soll daß Projekt mit der Integration aller Technologien seinen Abschluß finden, um die Möglichkeit des Baus einer 5 MW Windkraftanlage zu belegen, die auf dem neuen Konzept basiert. Anschließend sollen die Aussichten einer 20 MW Turbine eruiert werden.

Im Herbst 2012 erfolgen die ersten Tests mit einem Demonstrator im Fjord bei Risø, anschließend beginnen kontrollierte Versuche im Becken des MARIN (Maritime Research Institute Netherlands), welches im März 2013 meldet, daß man sich nun in der Schlußphase dieses Testprogramms befände. Der nächste Schritt des DeepWind-Konsortium ist nun, die schwimmende Windkraftanlage für weitere Tests in dem Fjord zu Wasser zu lassen.

Etwas befremdlich wirkt, daß es auf der Website des Projekts nach Ende 2010 keine weiteren  Pressemitteilungen mehr gibt.

Nicht verwechseln darf man das DeepWind-Konsortium mit dem DeepCwind-Konsortium (mit C), das im US-Bundesstaat Maine angesiedelt ist (s.d.) - auch wenn die Zielsetzung ähnlich ist, nur daß in den USA eine Lösung mit einem konventionellen Horizontal-Windkraftwerk verfolgt wird.

In Finnland meldet im Oktober 2009 der Erfinder und Kernphysiker Matti Nurmia gemeinsam mit seiner 2004 gegründeten Firma Cuycha Innovation Oy in Jyväskylä sowie der IT-Firma University Consultants OY ein Patent unter dem Titel ,Method for improving the efficiency of wind or water turbine and a corresponding turbine, an (WO-Nr. 2011/039404, erteilt 2011).

Bei der Cuycha-Turbine handelt es sich um einen Darrieus-Typ, dessen Blätter von der Mitte aus schräg nach oben weisen und beim Drehen eine vertikale Trichterform bilden, deren Bahnquerschnitt ovoid (eiförmig) ist, mit seiner langen Achse senkrecht zum Wind.

Der Winkel des Trichters, die Geometrie der Schaufeln sowie die Form der ovoiden Spur können alle gesteuert werden, um bei unterschiedlichen Windbedingungen die maximale Leistung zu erhalten.

Durch die Verwendung extrem starker Verbundmaterialien, wie dem an der Universität Jyväskylä entwickelten Hybtonite, einem mit Kohlenstoff-Nanoröhren verstärkten Epoxy-Harz, soll es möglich sein, Cuycha-Windkraftanlage von bis zu 10 MW Leistung zu realisieren.

Anfang 2012 erfolgt die Meldung, daß Prof. Pekka Neittaanmäki, Dekan der Fakultät für Informatik an der Universität Jyväskylä, eine Gruppe von Unternehmen für den Bau einer Testanlage zusammen zu bringen. Er hofft, daß die Darrieus-Nurmia Windkraftanlage schon im Sommer in Betrieb sein wird.

Dies scheint jedoch nicht geklappt zu haben, denn das kleine Familienunternehmen (Ilkka und Mari Nurmia, mit Anschrift in Gaborone, Botswana, agieren als CEO bzw. Vize Präsident), das zu Beginn eine ganze Reihe von Projekten verfolgt, konzentriert sich schließlich jedoch auf die Carbon-Neutralisierung, für deren Verfahren Nurmia international bekannt ist. Von der Windturbine ist dagegen nichts mehr zu hören.

 

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