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To be or not to be
Sein oder nicht sein
Glauben oder nicht glauben
Das wird auch hier die Frage sein
Überlegungen eines in langen Windjahren ergrauten Windenergie Anhängers
So wie einer auf den 6-Zylindermotor
schwört und auf alle 4-Zylinder-Fahrer herabschaut, so gibt es auch
für die Auslegung von Windrotoren mehr oder weniger
konstruktionsphilosophische Präferenzen, die sich zumeist auf
Erfahrungen und eigene konstruktive Überzeugungen stützen und
nicht unbedingt rein theoretisch ableitbare Fakten darstellen. Dieser
Umstand zeigt klar auf, warum auch eine Vorlesung mit dem Titel
"Konstruktionslehre",keine einfach zu haltende Vorlesung ist.
Ulrich Hütter, der Windpapst der Neuzeit, ein hervorragender Konstrukteur,
sprach immer vom "Grünen Hut" des Konstrukteurs.
Er stellte die Behauptung auf: "Wenn eine Frau einen grünen Hut haben will,
dann bekommt sie ihn auch, eben einen solchen und keinen andern". Anhand dieses
Ausspruchs erklärte Hütter den Studenten so manche ausgeführten
Konstruktionen und deren besondere Ausformung durch einen starken Eigenwillen
der Konstrukteure.
Philosophie des
Windanlagen-Designers
Zur Nutzung der
regenerativen umweltfreundlichen Windenergie gibt es nicht eine
einzige oder die einzige Antwort an den Designer oder
Konstrukteur von Anlagen.
Vorab müssen, wie auf allen Gebieten
der Technik, Randbedingungen geklärt oder gewünschte Vorgaben
gemacht werden.
Welche Energieform wünscht man z.B.? Denkt man
an die Wandlung oder Erzeugung von elektrischer Energie oder reicht es
aus mechanische Energie (drehende Welle) zum Betreiben einer
Wasserpumpe aus dem Wind bereitzustellen?
Für die benannten
zwei Energieformen gibt es zwei unterschiedliche Geräte als
Antwort. Zum Wasserpumpen gibt es kein besseres Gerät als die
Vielblattrosette, die "western mill".
Denkt man allerdings an die
hochwertige Stromwandlung, dann kommen nur Schnelläufer mit
höchster aerodynamischer Güte in Frage.
Es ist nicht alles
Gold was glänzt". Abgewandelt könnte man sagen, nicht alles was
sich dreht ist ein effektives windnutzendes Gerät.
Geräte-Arten:
Das Aufstellen einer Typologie aller
möglichen Geräte ist nicht einfach, gelingt allerdings leicht,
wenn man drei Kriterien:
- Achslage (horizontal/vertikal),
-
Art der bei der Umströmung resultierende Kraft
(Auftrieb/Widerstand) oder die
- Schnellaufzahl
(Lambda=Umfangsgeschwindigkeit/Windgeschwindigkeit) d.h.
Langsamläufer/Schnelläufer
als Unterscheidungsmerkmale
heranzieht.
Die anklickbaren Bilder zeigen die Typologie aller
vorstellbaren windnutzenden Geräte auf.
Hier, in dieser Abhandlung soll nur die "Freifahrende Turbine", der
Schnellläufer mit horizontaler Achse und Auftriebsflächen
(Rotorblättern) behandelt werden.
Bemerkungen in Form von Stichworten
für die Anlagen-Auslegung:
Rotorblattzahl:
Der Konstrukteur entscheidet sich für
die Anzahl der Rotorblätter. Die Theorie sagt: Jedes Rotorblatt
mehr bringt auch etwas mehr an Leistung, aber nicht linear, d.h. der
2-Blatt-Rotor bringt gegenüber dem 1-Blatt-Rotor keinesfalls die
doppelte Leistung, ein 4-Blatt-Rotor nicht die doppelte Leistung gegenüber
einem 2-Blatt-Rotor, natürlich bei gleichen Randbedingungen wie Dimensionen
und Aerodynamik.
Ausserdem sollte man die Auslegungsschnelllaufzahl beachten. Bei hohen
Schnelllaufzahlen wird der Rotorblatt-Profileinfluss, d.h. der
Reibungseinfluss immer grösser. Einen grossen Sprung im
Leistungsbeiwert erzielt man durch eine Steigerung der Profilgleitzahl LDR
und nicht durch eine Erhöhung der Rotorblattzahl z
(siehe folgendes Diagramm).
Bei kleinen Schnelllaufzahlen, also bei den Langsamläufern wie den
'western mills', bringt jedes einfache Blechrotorblatt einen merkbaren
Sprung im Leistungsbeiwert. Viele Rotorblätter geben beim
Langsamläufer auch ein hohes Startmoment das besonders beim
Wasserpumpsystem erwünscht ist. Schnelläufer mit wenigen
Rotorblättern haben Startprobleme, wegen dem geringen Startmoment.
In diesem Fall muss eine aktive Rotorblattverstellung die Anlaufeigenschaften
verbessern.
Der 1-Blatt-Rotor (die Natur ist nicht unsymmetrisch!) bringt nicht den
Vorteil der Einsparung eines ganzen Rotorblattes, man braucht einen
Gegengewicht-Arm (Material, Masse!). Ausserdem erfolgt die Belastung
der nachgeschalteten Komponenten (Lager, Getriebe (falls vorhanden),
elektrische Maschine usw.) unsymmetrisch, ungleichförmig bei jeder
Umdrehung.
Mehr Rotorblätter bringen neben der Leistungssteigerung eine
Vergleichmässigung der Belastungen. Man fährt auch lieber
einen 12-Zylinder denn einen 6-Zylinder Wagen, wegen der Laufruhe!
Allerdings kostet der Rotor ca. 40% des Gesamtsystems, was bei
grossen Durchmessern der Anlage schon die Frage nach 2 oder 3
Rotorblättern als sinnvoll erscheinen lässt.
Empfehlung:
Anlagen bis 100 m Durchmesser haben
3-Rotorblätter, über 100 m nur 2-Rotorblätter.
Zwischenbemerkung:
Der Autor versteht nicht warum Hersteller von heutigen noch größeren Anlagen
nicht ernsthafte Überlegungen anstellen die Investitionkosten für das
3. Rotorblattes zu überdenken.
Rotorposition:
Die Lage des Rotors in Leeposition, also
hinter dem Turm drehend ist eine eigenstabile Lage. Dreht der Rotor
vor dem Turm, also in Luvposition, so ist dies eine labile Position.
Allerdings dreht der Rotor dort in einer noch ungestörten
Strömung. Gibt man die Hochachse (Turmachse) frei wird ein vor dem
Turm drehender Rotor bei einer kleinen Störung in Leeposition
wandern, er will mit der Strömung "wegschwimmen".
Bei allen
Horizontalachsen-Maschinen muss eine Windrichtungs-Nachführung
eingebaut werden, gleichgültig wo der Rotor dreht, ebenso muss eine
Dämpfung der Nachführung um die Hochachse vorhanden sein, damit
der Rotor nur wirklich anhaltenden neuen Windrichtungen nachgeführt
wird.
Die freie Entscheidung des Konstrukteurs, wo der Rotor
dreht, wird ausserdem noch von der vorgesehenen Turmform beeinflusst
werden. Der billigste Turm oder Mast ist der Gittermast. Dieser Mast
ist aber für einen Rotor in der Leeposition ein absoluter
Strömungskiller. In solch einem Turmschatten laufende Rotoren
werden bei jedem Durchgang von allen Luftkräften befreit und damit
einer enormen Biegebe(-ent)lastung unterworfen. Das ist äusserst
lebensdauerschädlich. Abgespannte schlanke (dünne) Rohrmasten
haben kaum Turmschattenprobleme, noch weniger die heute üblichen
freitragenden Stahlrohrtürme. Diese Türme sind zwar die
teuersten, dafür sind sie aber auch die optisch schönsten,
erfüllen also ästhetische Bedingungen.
Empfehlung:
Bei Horizontalachsen-Anlagen drehen die Rotoren vor dem freitragenden
Turm in der ungestörten Stömung.
Schnelllaufzahl:
Die Theorie sagt, je höher die
Schnellaufzahl, umso höher die Leistung der Anlage. Dieses
Theorieergebnis führt aber zu immer schmaleren Rotorblättern.
Man benötigt bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten nicht mehr so viel
Profiltiefe für die notwendige Auftriebserzeugung.
Dieser
Ansatz führt aber zu einem Statik/Dynamik-Problem. Schlanke
Rotorblätter werden auch dünn, der tragende Querschnitt für
den Biegeträger wird zu klein, es gibt faktisch kein Material mehr
das die notwendigen Festigkeitswerte aufweist. Der schlanke Träger
neigt zum auskippen (lateral buckling) und wirkt im Betrieb fast wie
eine Peitschenschnur. Ein so aerodynamisch ausgereiztes Rotorblatt kann
nicht mehr gebaut werden, nicht einmal mehr mit den besten
Kohlefaser-Materialien.
Der Konstrukteur muss einen Kompromiss
suchen und finden.
Heutige Schnellaufzahlen liegen bei 6 bis 12 im
Auslegungspunkt. Der Konstrukteur legt also den Auslegungspunkt selbst
fest. Er gibt die Nenndrehzahl des Rotors für den Nennbetrieb vor,
wobei er die Energieübertragungskette Rotor/Getriebe/Elektrische
Maschine und deren Drehzahlen im Auge behät. Die
Bezugsumfangsgeschwindigkeit an der Blattspitze sollte 100 m/s
möglichst nicht überschreiten. Bei gegebenem Durchmesser der
Anlage lässt sich aus diesem frei wählbaren Wert die
Nenndrehzahl berechnen.
Für die Wandlung von netzkonstantem
Wechselstrom (50 Hz in Deutschland, 60 Hz in den USA) wird von einer
Generatordrehzahl von 1.500 U/min (1.800 U/min bei 60 Hz) auszugehen
sein. Daraus kann dann das Übersetzungsverhältnis der
Getriebeeinheit berechnet werden.
Der zweite, die Schnellaufzahl
bestimmende Wert ist die Windgeschwindigkeit im Auslegungspunkt. Auch
dieser Wert wird vom Konstrukteur festgelegt. Man kann dazu die
häufigste am Aufstellungsort der Anlage vorkommende Geschwindigkeit
nehmen, oder das Jahresmittel, oder eine sehr hohe oder sehr niedere
Geschwindigkeit. Das ist dem Konstrukteur freigestellt und entspringt
der ihm überlassenen Auslegungsphilosophie. Natürlich wird man
bei der Festlegung die Turmhöhe mit berücksichtigen, nimmt doch
die Windgeschwindigkeit über dem Erdboden zu, je nach
Rauhigkeitsklasse. Eine Beschreibung des Terrains rund um den
Aufstellungsort ist dabei also wichtig. Die Wahl der
Nennwindgeschwindigkeit wird sich auch im Jahresenergieergebnis
niederschlagen. Das hängt auch von der Häufigkeitsverteilung
der Windgeschwindigkeit am Ort ab. Mathematisch kann eine
Häufigkeitsverteilung ohne Messungen mit der Weibull-Funktion
angegeben werden. Terrainbeschreibende Konstanten sind dazu notwendig.
Das Jahresenergieergebnis hängt aber auch von der Wahl der
installierten Leistung ab.
Empfehlung:
Der Konstrukteur sollte für eine Horizontalachsen-Anlage
(Freifahrende Turbine),
mit 2 oder 3 Rotorblättern,
eine Schnelllaufzahl zwischen 6 und 8 im Nennbetriebspunkt wählen.
Installierte Leistung:
Die Windenergie stellt ein energiedünnes Medium dar. Wie bei der
Nutzung der Solarenergie bedeutet dies, dass man für grosse
Leistungen grosse Sammelflächen (solar) oder grosse Flächen
(Rotordurchmesser) im Wind mit der Anlage beeinflussen muss
(Windabbremsung). Das ergibt grosse Anlagendurchmessern (70 m und mehr)
für Geräte im Megawatt-Bereich.
Eine konstruktive
Grösse ist die Flächenleistung, d.h. die installierte Leistung
in der Anlage bezogen auf die Rotorkreisfläche.
Dabei hat sich der Konstrukteur zunächst über ein gewünschtes
und erwartetes Leistungsdargebot zu entscheiden. Will der
Nutzer möglichst über das ganze Jahr ein konstantes
Leistungsangebot (Siehe Diagramm oberes Bild, constant power) haben,
oder soll die Anlage, da sie sowieso ins Netz
einspeist, alle Windgeschwindigkeiten, bis hin zu den höchsten
Werten, "abreiten"? Das würde bedeuten,
dass die Anlage auf höchsten Energieertrag hin optimiert wird
(Siehe Diagramm unteres Bild, high energy output).
Wünscht man ein konstantes Leistungsangebot so
wird man das Gerät niedrig "installieren". Wenige -zig Watt pro
Quadratmeter Rotorkreisfläche werden dabei empfohlen.
Beispiel: Ein
Kleinanlage mit 100 m² Rotorkreisfläche im Wind, d.h. 11,28 m
Durchmesser, könnte mit einem Generator der Grösse 3, 5, 8 oder
10 kW bestückt werden. Die Flächenleistung beträgt dann 30,
50, 80 odet 100 Watt/m². Diese niedere Belastung führt zu einer
bestimmten Form der Leistungsdauerlinie.
Wird die gleich grosse Anlage, am gleichen Standort, mit einem 50 kW Generator
ausgestattet ergibt sich eine Flächenleistung von 500 Watt/m².
Die Struktur der Rotorblätter, der Lager, des Turmes usw.
kann ohne grössere Probleme diese Leistung aufnehmen,
allerdings wird sich nun eine etwas andere Leistungsdauerlinie
ergeben.
Die Zeit im Jahr mit maximaler Leistung (rated power) ist
gegenüber der niedrig belasteten Maschine erheblich geringer, die
Zeit mit Null-Leistung (no power) dürfte grösser ausfallen, da die
stärkere Anlage zumeist eine höhere Anlaufgeschwindigkeit
benötigt.
Die Kunst des Optimierers liegt nun darin, eine Flächenleistung zu finden
die, für den gewählten Standort, den wirtschaftlichsten
Jahresenergieertrag ergibt, nämlich eine entsprechende Fläche
unter der Kurve im Zeit/Leistungsdiagramm. Die grösste Fläche
wird man natürlich nur anstreben, wenn das Ziel heisst:
höchstmöglichen Energieertrages. Man akzeptiert dabei Ertragsspitzen
zu irgendwelchen Zeiten im Jahr und legt weniger Wert auf ein kontinuierliches
Leistungsangebot.
Erfahrene Windanlagen-Konstrukteure empfehlen:
- windschwache
Gebiete ¶ = 30 bis 60 Watt/m², max. 100 Watt/m²
-
windstarke Gebiete ¶ = 100 bis 300 Watt/m², max. 500
Watt/m²
Die höchsten Flächenleistungswerte wird man bei hohen
Türmen, also einer entsprechend hohen Nabenhöhe wählen.
Legt der Konstrukteur eine Rotor-Flächenleistung fest, z.B. ¶ =
400 Watt/m² und wünscht er sich eine bestimmte Leistung die im
Einklang mit der Nennwindgeschwindigkeit und dem möglichen mit den
gebauten Rotorblättern erreichbaren Leistungsbeiwert liegt, so kann
der notwendige Anlagendurchmesser abgeschätzt werden.
Beispiel:
Es wurde festgelegt:
Vnenn= 11.5 m/s, ¶= 400
W/m², möglicher Leistungsbeiwert cP=0.45,
erwartete Leistung ca. 500 kW
Die Berechnung ergibt:
Pnenn=507,7 kW
mit einem 40 m Rotor entsprechend einer Rotorkreisfläche von
AØ = 1256,64 m² und der Flächenleistung
von 403,8 Watt/m².
Die Auslegungsgrössen sind natürlich nicht absolut unabhängig
voneinander wählbar, es gilt der Zusammenhang der Leistungsformel:
P = cP · rho/2
· vnenn³
· AØ
Profilauswahl:
Generell muss in einen Rotor eines Schnelläfers, also in einen Rotor mit wenigen
Rotorblättern, die bestmöglichste Aerodynamik eingebaut werden.
Dazu werden Profile mit besten Gleitzahlen benötigt, also höchsten
Auftriebskräften bei geringsten Widerstandskräften im Betrieb.
Empfohlen werden Laminarprofile. Diese Profile weisen meistens eine im hinteren
Profilteil nach innen gekrümmte untere Profilkontur auf.
Der Konstrukteur muss die Profilauswahl aber auch nach der vorgesehenen
Rotorblatt-Bauweise vornehmen. Wird in Holz gebaut empfiehlt sich ein Profil
mit möglichst gerader Unterkante zu verwenden, ebenso gilt dies bei Blechbauweise,
z.B. Rohrholm mit aufgefädelten Blechrippen und Blechbeplankung. Bei diesen
zwei Bauweisen lässt sich eine unten eingezogene Profilkontur praktisch nicht
verwirklichen. Die gewählte Bauweise wird durch die nur mögliche
Blattprofilierung einen geringeren Leistungsbeiwert mitsichbringen.
Plant man aber den Serienbau von hochwertigen Rotorblättern aus
Faserverbundwerkstoff (Glasfasern/Kohlefasern/Aramidfasern) und geht man dazu den
nicht billigen Weg über ein Urmodell, Negativ-Halbschalen,
Schalenbauweise in der Form, so kostet es nicht mehr, das aerodynamisch beste Profil
(von der Profilkontur her) zu verwenden.
Empfehlung:
Für Schnelläufer vom Horizontalachsen-Typ sollten hochwertige Profile,
insbesondere Laminarprofile verwendet werden (z.B. FX 63-127 oder
NACA 642-415).
Bei im Hinblick auf Bauweise und erwarteter Leistung
nicht so anspruchsvollen Rotorblättern kommen auch Profile mit gerader Unterkante
in Frage (z.B. NACA 4415 oder Clark Y)
Schlussaussage:
So unsteht wie der natürliche Wind sich den Menschen als unerschöpfliche
regenerative Energiequelle darbietet, so speziell müsste eigentlich ein Windrotor,
eine Freifahrende Turbine auf den speziellen Standort optimiert werden.
Gewünschte Leistungshöhe, Art des Energieertrages (Maximum oder möglichst
viele Betriebsstunden im Jahr konstante 'rated power' (Inselanlage)), Windstruktur mit Windhäufigkeitsverteilung,
mögliche Turmhöhe, System mit oder ohne Getriebe und weitere Parameter, bestimmen die optimale Anlage.
Diese Zusammenhänge stehen natürlich einer Serienproduktion entgegen, sodass man für einen
speziellen Standort immer aus dem Angebot der Hersteller eine "Kompromiss-Anlage" wird wählen müssen.
Die Angabe von Volllaststunden für eine Anlage an einem bestimmten Ort sind als rein rechnerischer Wert
dabei nicht mehr als eine Hilfsgröße und sagen über den Verlauf, die Art des Leistungsangebotes (Volllast,
Teillast, Flaute) über das Jahr, also über die Qualität des Angebotes an elektrischer Arbeit
(Betriebsstunden und Verfügbarkeit) wenig aus.
Warum sollte aber überhaupt der Horizontal-Achsen-Konverter z.B.
dem Vertikal-Achsen-Konverter vorgezogen werden? Für mehr Information
darüber klicken Sie bitte hier, Text in Englisch.
Vorab hier ein leicht verständliches Beispiel.
Dieses zeigt, dass Vertikal-Achsen-Systeme generell nicht so effizeint sind wie die Horizontal-Achsen-Systeme.
Das Beispiel kommt aus der Schiffahrt, aus dem Jahr 1843.
In einem spektakulären Versuch zeigte das schraubenangetriebene Dampfschiff "Rattler" seine leistungsfähige Überlegenheit gegenüber dem Raddampfer "Alecto" auf.
Beide Schiffe, leistungsgleich, verbunden durch Taue am Heck, fuhren mit maximaler Leistung von einander weg.
Die "Rattler" zog dabei die sich "heftig wehrende" "Alecto" hinter sich her und zeigte damit die Überlegenheit der Schiffsschraube gegenüber einem Raddampfer-Antrieb auf. Das Bild zeigt die Bewegung der Schiffe durch die eingezeichneten Rauchfahnen und die Stellung der Flaggen sehr eindeutig auf.
Strömungstechnisch ist dies verständlich. Während die Schiffsschraube mit ihrem ganzen Durchmesser ständig die Leistung in das Medium Wasser bringen kann (Rotor einer Horizontal-Achsen-Windanlage) gelingt dies dem Raddampfer nur auf der Hälfte des Rad-Umfanges. Die andere Hälfte des Rades wird ohne Leistungseinbringung in der Luft 'zurückgeführt', entsprechend dem Rotor z.B. eines Darrieus-Rotors (Vertikal-Achsen-Windrotor, gegen die Windrichtung).
Wäre das Rad des Raddampfers völlig unter der Wasseroberfläche angebracht, so würden sich die Verhältnisse weiter verschlechtern. Der Widerstand des Teiles des Rades bei der Rotation entgegen der Schiffsbewegung wäre noch wesentlich größer wie in der Luft.
doerner@ifb.uni-stuttgart.de
Seit 7.März 1997
