Windrad

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Ich frage mich schon seit längerem, warum alle Windradentwickler für die Rotorgestaltung den aus Sicht der Statik ungünstigen Einsatzfall „einseitig eingespannter Balken“ gewählt haben. Schauen Sie sich einmal das linke Bild vom 130m hohen Riesenrad in London an. Wie grazil ist dieses Riesenrad gestaltet und dabei trägt es außen 32 tonnenschwere Gondeln, beim Windrad  -  es ist ein Foto einer 5MW Anlage mit einem Rotordurchmesser von 126 m -  sind auch ohne zusätzlichen Lasten die mechanischen Anforderungen so groß, dass diese wuchtigen Rotorblattansätze an der Nabe notwendig sind. Die Konzeption, die ich Ihnen hier vorstellen will, bringt in allen wesentlichen Punkten Vorteile gegenüber den jetzt produzierten Windkraftanlagen. So sind sie effektiver, leichter, kostengünstiger und viel schneller aufzubauen.

Wenn man das Konstruktionsprinzip des Riesenrades auf das Windrad überträgt, kann man den Rotor sehr viel leichter gestalten und - was noch weitaus wichtiger ist  - Rotorblätter, die von den Speichen getragen werden, können über ihre gesamte Länge die aerodynamisch günstigste Form aufweisen und der Anstellwinkel der Rotorblätter kann entsprechend der Windgeschwindigkeit und Belastung optimal eingestellt werden.

Die derzeitigen Windräder haben starre Rotorblätter, die nur an der Nabe gedreht werden können. Damit ergibt sich zwangsläufig, dass nur in einem Bereich des Rotorblattes der Anstellwinkel optimal ist (Abb. 1). Wenn der Anstellwinkel im Bereich von 0,7R optimal ist, so sind die Flügelspitzen schneller als der Wind und werden dort gebremst, im Innenbereich ist der Anstellwinkel auch nicht optimal, hier entsteht ein Staudruck und am Rotorblatt bilden sich Wirbel, die die Effektivität vermindern. Wenn der dynamische Anstellwinkel jedoch so ist, dass an jeder Stelle des Rotorblattes die „Auftriebskräfte“ dominieren und sich keine Wirbel bilden, so ergibt sich der beste Wirkungsgrad. Die bedeutet jedoch, dass das Rotorblatt „gewunden“ sein muss und diese Verwindung ist abhängig von der Windge- schwindigkeit, der Last und dem Abstand von der Nabe. Wenn das Rotorblatt die Form eines „Kragbalkens“ aufweist, was bei den üblichen Windrädern der Fall ist, ist dies aus Festigkeitsgründen nicht möglich. Eine Lösung kann gefunden werden, wenn die mechanische Festigkeit durch ein „Speichenrad“ erfüllt wird und die Speichen dann die verwindbaren Rotorblätter tragen. An jedem Fahrrad kann man erkennen, welch große mechanische Stabilität sich mit sehr wenig Material erreichen lässt.

Bei dem vorgestellten Windrad (Abb. 3) gibt ein Speichenrad die mechanische Festigkeit für die an den Tragspeichen(1) befestigten verwindbaren Rotorblätter(9). Über die Tragspeichen sind die Tragringe(3+4) fest mit der Nabe(8) verbunden. Hinter den Tragspeichen sind elastische Steuerspeichen(2) angeordnet, die halten die Steuerringe. Jedem Tragring ist ein Steuerring(5+6) zugeordnet und mit diesem über die Profilstücke(7) so verbunden, dass der Steuerring gegen den Tragring verschoben werden kann. Über die Profilstücke (Abb. 2) wird das Rotorblatt aufgespannt. Die Hülle sollte so elastisch sein, dass über die gesamte Rotorblattlänge eine Verwindung von 90° möglich ist. Dabei ist auch eine Verlängerung der Speichen über die äußeren Ringe hinaus möglich. Die überstrichene Fläche wird so deutlich größer als die vom Ring eingeschlossene Fläche.

Mit der Verschiebung des Steuerrings ändern sich die Anstellwinkel der Rotorblätter. Ein stabiler leichter Aufbau kann erreicht werden, wenn die Tragspeichen hohl  ausgeführt werden und über ein Zugseil im Inneren die notwendige Zugspannung erzeugt wird.

Abb. 1

Abb. 3

Abb. 2

Rotorblätter aus einem geschäumten Material bieten die notwendige Festigkeit und Elastizität bei sehr geringem Gewicht. Der Anstellwinkel lässt sich mit einem Stellring, wie in der Funktionsskizze rechts gezeigt,  von 0 bis auf 90 Grad ändern. Allein durch die optimale Rotorblattgestaltung und den optimalen Anstellwinkel sollte sich ein Effektivitätsgewinn von mehr als 20% erreichen lassen. Die optimale Anzahl der Rotorblätter könnte in einem Versuchsaufbau ermittelt werden.

Wenn man nun schon einen Ring aus den genannten Gründen verwendet, so lässt sich dieser auch als „Getrieberad“ (Abb. 4) einsetzen. Wird auf den Ring ein Außenzahnkranz aufgebracht, so kann dieser ein auf dem Rotor des Generators aufgesetztes Zahnrad treiben. Die Übersetzungszahl entspricht dann dem Durchmesserverhältnis. Theoretisch lässt sich ein beliebiges Übersetzungsverhältnis einstellen, praktisch sind bei dieser Anordnung wohl aber Übersetzungsverhältnisse bis zu 100 möglich, daher kann bei solch einer Anordnung auf ein separates Getriebe verzichtet werden.Bei einer Verlängerung der Rotorblätter wächst die Rotorfläche quadratisch, das Volumen und damit auch das Gewicht aber zur 3. Potenz an, das Verhältnis Rotorfläche zu Gewicht wird ungünstiger.

Für ein Windrad dieser Konzeption bietet es sich an, von der üblichen Bauform mit starrem Schaft und drehbarer Gondel abzuweichen und stattdessen unter die Rotore ein Tragwerk zu setzen und den gesamten Komplex drehbar auf einer Fundamentplatte zu setzen (Abb. 4 + 5). Wie auch bei den Rotorblättern ist ja der Schaft oder Turm eines Windrades ein einseitig eingespannter Balken. Bei einem Tragwerk können die einzelnen Streben optimal an die Kräfte angepasst werden und somit schlanker sein.

Abb. 4                                                                                                                         Abb. 5

Für das Fundament reicht eine Platte oder ein Ring, der einfach auf dem Boden aufliegt, was Tiefbauarbeiten vermeidet und die Montagezeit drastisch verkürzt. Besonders zum Tragen kommt dieser Vorteil bei der Montage von Windrädern im off-shore Bereich. Bei geringen Wassertiefen wird die Fundamentplatte zu zwei durch Streben verbundenen Ringen, wobei der untere Ring auf dem Meersboden aufliegt und der obere Ring über die Wasseroberfläche herausragt. Auf dem oberen Ring ist das Tragwerk drehbar angeordnet.

Ist die Wassertiefe größer, zum Beispiel 100 m, so bietet es sich an, als Fundament einen im Wasser schwimmenden und am Meeresboden verankerten Auftriebskörper (Abb. 6) zu nutzen. Ist der Auftrieb größer als das Gewicht des Windrades samt Fundamentring, so wird der Auftriebskörper, z.B. ein Torus, auch bei starkem Wellengang immer stabil seine waagerech-te Lage beibehalten. Die Verankerung am Meeresboden erfolgt mittels eingesetzter Anker oder durch Ballast, indem ein Kasten am Meeresboden mit dem dort vorhandenen Sand oder Kies gefüllt wird. Mit solch einem Fundament lässt sich der gesamte off-shore Bereich für Windparks nutzen.

Bei allen neu konzipierten Windparks sollte eine Wasserstofferzeugung vorgesehen werden, die dann den Strom übernimmt, wenn eine Einspeisung ins Netz nicht möglich ist, z.B. die Aufnahmefähigkeit erschöpft oder die Synchronisationsbedingen nicht erfüllt werden können.

Mit dem erzeugten Wasserstoff kann dann ein Kraftwerk auf Brennstoffzellen-Basis oder herkömmlicher Gasturbinen betrieben werden, die bei Spitzenlast Energie ins Netz liefern. Damit lassen sich Spitzenlastkraftwerke auf Basis fossiler Brennstoffe vom Netz nehmen und die CO2-Bilanz kann verbessert werden.

 

Abb. 6

Die Gedankengänge, die für das Windrad gelten, können im Prinzip auch auf die Rotoren von Hubschraubern übertragen werden. Bei großen Rotordurchmessern nimmt das Gewicht der Rotorblätter stark zu, weil die mechanische Festigkeit dies erfordert. Mit hochfesten Kompositwerkstoffen konnte die Massenzunahme begrenzt werden. Wenn noch größere Rotordurchmesser geplant sind, sollte man überlegen, ob dann ein Rotor mit einem Ring nicht leichter auszuführen ist. Die Rotorblätter könnten dann durch Seile mit einem dazwischen liegenden leichten Profilkörper gebildet werden, wären also deutlich leichter. Diese Rotorblätter hätten dann noch den Vorteil, dass der Anstellwinkel vom Radius abhängig, leicht zu verändern ist und wahrscheinlich wären diese Rotorblätter auch leiser, da die Luftwirbel am Blattende geringer ausfallen. Möglicherweise ist mit diesen Rotorblättern auch eine höhere Sicherheit beim Beschuss durch MG zu erreichen, da dann Durchschüsse durch das Rotorblatt keinen gravierenden Festigkeitsverlust mit sich bringen. Eine Erhöhung der Blattanzahl erhöht das Gewicht und damit die rotierenden Massen nicht linear, die optimale Blattanzahl könnte bei diesem Rotortyp höher ausfallen als bei den gegenwärtigen Rotoren.

Abb. 7

Abb. 8

Innovatives Konzept für eine Mini-Windkraftanlage

 

Um die CO2-Emmissiion zu vermindern, sollten alle Möglichkeiten ausgeschöpft werden. Daher möchte ich Ihnen ein Konzept vorstellen, wie die Windenergie im Wohn- und Arbeitsbereich genutzt werden kann. Insbesondere im städtischen Bereich findet man höhere Gebäude, die günstige Voraussetzungen für eine Mini-Windkraftanlage MWKA bieten. So könnte eine MWKA mit einem Rotordurchmesser von 12 m eine Nennleistung von 50 kW erreichen, die Masse sollte unter 3 t liegen und die Kosten für eine derartige Anlage könnten bei einer industriellen Serienfertigung unter 25.000 Euro liegen. Solch eine MWKA benötigt kein tiefer greifendes Fundament, sie könnte auf die Gebäudemauern oder ein Flachdach aufgesetzt  werden, was eine nachträgliche Montage leicht macht. Damit man solch ein geringes Gewicht erreicht und auf Fundamente verzichten kann, bedarf es einer innovativen Konzeption. Das erreicht man mit einem Rotor, dessen Rotorblätter mittels eines Rings verbunden sind.

Wenn nun im Inneren jedes Rotorblatts eine „Speiche“ eingebettet wird, die die Zugspannungen übernimmt, ist das Rotorblatt selbst frei von allen konstruktionsbedingten Belastungen und kann aerodynamisch optimiert werden. Es ist dann auch eine von der Windgeschwindigkeit und Drehzahl abhängige Verwindung möglich. Am Computer kann die optimale Anzahl der Rotorblätter und ihre Gestalt ermittelt werden. Die zusätzliche Masse für den Ring wird durch Materialeinsparungen bei den Rotorblättern kompensiert, so dass der Rotor leichter sein sollte als ein herkömmlicher Rotor einer WKA.  

Da die üblichen Konstruktionsmaterialien hohe Zug- und Druckfestigkeiten aufweisen, können diese Elemente mit wenig Material gefertigt werden, sind also entsprechend leicht, ein 12 m Rotor sollte weniger als eine Tonne Masse besitzen. Auf diesem Ring ist ein „Zahnriemen“ aufgesetzt, der direkt die Welle eines Generators treibt, der sich unten am Rotor befindet. Das Durchmesserverhältnis von Rotor und Zahnrad auf der Generatorwelle bestimmen das Übersetzungsverhältnis, auf ein Getriebe kann verzichtet werden. Die Stützen, die das Rotorlager tragen, können nun ebenfalls sehr leicht ausgeführt werden und sitzen unten auf einem Stützring, der auf einer ringförmigen Schiene rotiert.

Der Durchmesser der ringförmigen Schiene wird so bemessen, dass auch bei stärksten Stürmen, der Schwerpunkt innerhalb des Rings liegt und ein Kippen ausgeschlossen wird. Befindet sich das Rotorlager in Windrichtung gesehen, hinter dem Mittelpunkt der ringförmigen Schiene und wird an den hinteren Stützen ein Luftleitblech montiert, so kann auf eine aktive Windnachführung verzichtet werden, was die Kosten senkt.

Die Rotorblätter selbst sind nur geringen Belastungen ausgesetzt, da die Kräfte auf die innen geführte Tragspeiche übertragen werden und können daher aerodynamisch optimal gestaltet werden. Sie sind zudem in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit, Drehzahl und Belastung verwindbar und haben dann an jeder Stelle den optimalen Anstellwinkel. Bei orkanartigen Stürmen lassen sich die schlanken Rotorblätter in den Wind stellen und bieten dem Sturm kaum eine Angriffsfläche, was den Winddruck senkt. Die hinteren Stützen übertragen den Winddruck auf die Schiene. Wird die vordere Stütze so ausgeführt, dass sich das Drehgestell auch bei starken Zugkräften nicht von der Schiene lösen kann, z.B. durch Anschläge oder eine zangenartige Vorrichtung, so können die dann auftretenden Zugkräfte von der im Mauerwerk verankerten Schiene aufgenommen werden, ein Kippen kann auch bei einem Orkan verhindert werden.

Der Rotor-Ring kann aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein, die von einem Spannseil zusammengepresst werden, die einzelnen Segmente werden dann nur auf Druck belastet.

Der von solch einer MWKA erzeugte Strom wird nicht in das Verbundnetz eingespeist, sondern vom Endkunden oder einem Zusammenschluss von mehreren Stromkunden genutzt. Damit entfällt auch die Zahlung einer Einspeisevergütung, die Kunden profitieren aber von dem hohen Strompreis, den die die privaten Stromkunden zahlen müssen, der bei etwa 20 C/kWh liegt. Solch eine MWKA sollte sich innerhalb von weniger als 5 Jahren auch ohne Förderung amortisiert haben und die Stromkosten für die anderen Stromkunden werden dadurch nicht höher, was ganz sicher zu einer höheren Akzeptanz führt.

Der erzeugte Strom sollte vorrangig für Heizzwecke verwendet werden (Waschmaschinen, Elektroherde, Heißwasserbereiter) da dort ein kurzzeitiger Spannungsabfall beim Umschalten von Netzbetrieb auf Eigenerzeugung unkritisch ist. Steht Windstrom zur Verfügung, wenn kein Bedarf vorhanden ist, so kann mit dem Strom die Warmwasserversorgung unterstützen oder Wärmespeicher aufgeladen und damit können andere Energieträger (Öl, Gas) eingespart werden.

Spezialausführung für die Komprimierung von Luft (Für Air Car)

Für eine Windkraftanlage zur Komprimierung von Luft sollten der Generator und der Kompressor auf einer Achse sitzen und diese über ein Stirnradgetriebe mit dem Rotor verbunden sein. Der Generator/Kompressor kann dann fest am Boden aufgestellt werden, wodurch keine flexible Druckdichtung notwendig ist.

 

 

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