Energiegewinnung : Windenergie

Der Twister - Ein neues Windrad mit vertikaler Welle

Der Twister, auch Helix-Rotor genannt, ist eine Weiterentwicklung des seit etwa 1925 bekannten "Darrieus-Rotors". Dieser hat den Vorteil einer vertikalen Welle, die es ermöglicht, die anzutreibende Maschine (in der Regel ein el. Generator) am unteren Ende der Welle zu plazieren. Bei der Verwendung auf einem Schiff trägt dies zu einem tieferen Schwerpunkt bei. Ein zweiter Vorteil dieses Windradtyps besteht darin, dass keine Vorrichtung benötigt wird, die den Rotor zum Wind ausrichtet (wie bei den bekannten horizontalachsigen Windrädern). Drittens wird die geringe Geräuschentwicklung und eine hohe Sturmsicherheit als Vorteil herausgestellt.

Nachteile des Darrieus-Rotors sind sein etwas geringerer Wirkungsgrad und die Tatsache, dass er nicht von selbst anläuft - er muss "angeworfen" werden, wenn Wind aufkommt. Bei der Verwendung auf einem Schiff ist es ein weiterer Nachteil, dass dieser Windrad-Typ eine Gierung erzeugt, die umso stärker ist, je größer der Durchmesser ist.

Die entscheidende Verbesserung in Gestalt des Twisters besteht darin, dass er selbstanlaufend ist. Das wird dadurch erreicht, dass die Längsachsen der Flügel auf einem Zylinder liegen, jedoch nicht auf einer Mantellinie, sondern auf einem Kreisbogen,

der dadurch entsteht, dass man einen Punkt am unteren Rand des Zylinders ein Stück links von einer Mantellinie mit einem Punkt am oberen Rand des Zylinders verbindet, der um das gleiche Stück rechts von der Mantellinie liegt. Dadurch entsteht eine Verwindung (Helix) der Flügel, die ein Selbst-Anlaufen bei ausreichendem Wind garantieren.

Um die Gierung zu vermeiden, wurden für den Öko-Trimaran zwei koaxial laufende, übereinander liegende und gegenläufige Twister konstruiert, womit sich der auf das Schiff übertragene Drehimpuls aufhebt, die Gierung also vermieden wird. Allerdings entstehen dadurch (im Verhältnis zur Höhe) sehr breite Rotoren, deren Wirkungsgrade noch näher untersucht werden müssen; die bisher bekannten Twister sind meist etwa so breit wie hoch oder höher.

Eine Alternative zur Vermeidung der Gierung ergibt sich durch eine
Anordnung der beiden gegenläufigen Twister nebeneinander, also eine Zwei- Mast-Ausführung (siehe Seite "Alternativen")

Weil die Leistung eines Windrades direkt proportional zu seiner vom Wind durchströmten rotierenden Fläche ist, wurde ein möglichst großer Durchmesser gewählt: Begrenzender Faktor für die Breite ist der Platzbedarf am Pier - der Rotor reicht seitlich nur wenig über die Schwimmer hinaus (siehe Zeichnungen auf der Seite "Technische Daten"). Dadurch ergibt sich ein Durchmesser von rund 17 m.

Der begrenzende Faktor für die Höhe des Windrades ist der auf ihm lastende Winddruck und die damit verbundene Krängung und Kentergefahr. Hierzu liegen noch keine Berechnungen vor - die Höhe beider Twister zusammen wurde vorläufig intuitiv mit 6,40 m angenommen. Daraus ergibt sich einschließlich eines Sicherheitsabstandes vom Dach (Flybridge) eine Masthöhe von 8,10 m und eine vom Wind durchströmte Fläche von 111 m². Bei der Zwei-Mast-Ausführung ergibt sich, wenn die Rotoren teilweise ineinandergreifen, bei seitlichem Wind eine durchströmte Fläche von 158 m², bei Wind von vorn oder hinten von 102 m².

Reserven für eine Vergrößerung dieser Fläche ergeben sich möglicherweise bei der Höhe des Windrades, wenn Berechnungen des Winddruckes ausgeführt werden.

Um die Leistung eines derartigen Windrades bei den verschiedenen Windstärken zu berechnen, braucht man noch eine realistische Annahme über seinen Wirkungsgrad. Zu diesem Zweck haben wir die im Internet zum Kauf angebotenen Twister und H-Rotoren durchgesehen und sind auf 7 Geräte gestoßen, für die ein Wirkungsgrad angegeben wird bzw. sich aus den publizierten Leistungsdaten errechnen lässt. Der Mittelwert dieser Werte beträgt 0,29, und diesen Wert haben wir vorläufig für den Twister des Öko-Trimarans angenommen. Dieser Wirkungsgrad bezieht sich auf die abgegebene elektrische Nutzleistung. Er setzt sich zusammen aus dem Rotorwirkungsgrad (Anmerkung für die Fachleute: der Betz-Koeffizient von 16/27 ist im Rotor-Wirkungsgrad enthalten), dem Getriebewirkungsgrad und dem Generatorwirkungsgrad. Ein Transformationswirkungsgrad entfällt bzw. ist mit dem Wert 1 zu veranschlagen, weil

der vom Gleichstromgenerator erzeugte Strom direkt im Elektrolyseur verwendet wird, der mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden kann.

Auf der Grundlage des hier zugrunde gelegten Wirkungsgrades kann nun berechnet werden, welche Energiemenge das Windrad erzeugt, wenn der Ökotrimaran unter den verschiedenen Szenarien betrieben wird. Ergebnisse dieser Berechnungen finden Sie auf der Seite"Windenergie". Die Wirkungsgrade des Elektrolyseurs, des Wasserstoffspeichers und der Brennstoffzelle müssen gesondert in Rechnung gestellt werden; dies geschieht in dem Kapitel "Energiespeicher".

Die neueste Entwicklung (Anfang 2012) ist die Umgestaltung der Rotorflügel derart, dass sie bei geeigneten Windverhältnissen wahlweise auch als Segel verwendet werden können - siehe Seite "Rotorflügel als Segel".

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