Zur aerodynamischen Berechnung eines Windenergiekonverters am Beispiel des Wagner-Rotors

Abstract

Zweck - Dieser Bericht zeigt die aerodynamische Berechnung eines Windrades mit einer Geometrie, die allgemeiner definiert ist, als üblich. So ein Windrad ist auch als Wagner-Rotor bekannt und zeigt einem Achswinkel möglicherweise deutlich verschieden von 0° (Horizontalachsrotor) und einem Konuswinkel der Flügel deutlich kleiner als 90°. Der Wind strömt dabei in den, von den Flügeln gebildeten Kegel hinein. Da der Wagner-Rotor bei entsprechender Wahl dieser Winkel keinen Turm benötigt, und daher eine geringe Höhe des Schwerpunktes hat, kann er auch auf einem Schiff montiert werden und die hohen Windstärken auf See nutzen. --- Methodik - Die aerodynamischen Windradberechnung erfolgt nach Hütter (auch bekannt als Blade Element Momentum Theory, BEMT), wobei sich die Elemente hier bei dieser Berechnung über den Radius und zusätzlich über den Umfang verteilen. Die Anströmung jedes Elementes am Wagner-Rotor wird mittels Differentialgeometrie berechnet. Auftriebs- und Widerstandsbeiwerte des Flügelprofils müssen (z. B. aus Profilkatalogen) über einen großen Bereich des Anstellwinkels bekannt sein. Die Berechnung erfolgt mit einem Programm geschrieben in FORTRAN. --- Ergebnisse - Die Wirkungsgrade des Wagner-Rotors sinken, je weiter man sich von den Winkeln des Horizontalachsrotors entfernt. Es muß weiter berücksichtigt werden, daß die Windradleistung beim Wagner-Rotor nicht nur durch die schlechteren Wirkungsgrade fällt, sondern auch dadurch, daß sich bei konstanter Flügellänge die Projektionsfläche des Windrades zum Wind verkleinert. Trotzdem hat der Wagner-Rotor seine Berechtigung bei der Nutzung der Windleistung auf See, weil der Windenergiekonverter auf einem Schiff montiert werden kann. An Land können die Kosten für den Turm gegenüber dem Horizontalachsrotor reduziert werden. Ob dies die geringere Leistung bezogen auf die Flügellänge ausgleicht, kann hier nicht geklärt werden. Bedeutung für die Praxis – Dieser Ansatz ermöglicht auch eine genauere Berechnung von "Horizontalachsrotoren", die oft kleine Abweichungen der Rotorachse von der Horizontalen und Konuswinkel von etwas weniger als 90° aufweisen. Originalität / Wert – Die Aerodynamik des Wagner-Rotors wird hier erstmals in dieser Detailtiefe berechnet.