Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon SBRI » Sa 26. Mai 2012, 21:28

Hallo Allerseits,

zunächst einmal möchte auch ich mich bei den Machern herzlich für dieses Forum bedanken – toll wie viele wertvolle Informationen und links sich hier angesammelt haben.

Als Architekt mit Spezialisierung auf effiziente Tragwerkssysteme interessiere ich mich privat auch für Windkraftanlagen, schießlich ist auch bei diesen Bauten eine effiziente, clevere Tragwerkskonstruktion entscheidend für eine kostengünstige Bauweise – speziell bei größeren Strukturen. Und hier wirken die bekannten Lösungen der Vertikalläufer auf mich noch nicht am Ende der Entwicklung angekommen.

Mit den links unten sende ich eine „Vision“ von einer großen Windkraftanlage. Ich weiß, das klingt auf den ersten Blick alles etwas größenwahnsinnig, aber ich hoffe das derjenige, welcher sich die Mühe macht den Beschreibungstext genau zu lesen, versteht worauf es mir ankommt. Ich gehe jetzt nicht weiter auf den Inhalt ein – steht ja alles im Text bzw. der Zusammenfassung.

Nur noch folgendes: um sich von dem vorgeschlagenem Tragsystem ein Bild zu machen kann man in der google-Bildersuche mal Gitterschale eingeben – die Idee ist also gar nicht neu, sondern „nur“ von der Baubranche übertragen.

Doch hier endlich die links:

http://dl.dropbox.com/u/31759676/Windtu ... 0%20kl.jpg

http://dl.dropbox.com/u/31759676/Windtu ... sachse.pdf

Ich würde mich sehr über konstruktive Kritik bzw. eine anregende Diskussion freuen!

Schöne Grüße
Stev


Ps.: Die Beschreibung ist oft etwas umständlich formuliert, da sie einer Schutzrechtsanmeldung entnommen ist, welche ich vor kurzem vorgenommen habe. Dies soll aber hoffentlich nicht hinderlich sein.
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon seb » So 27. Mai 2012, 07:37

Hallo Stev,

Herzlichen Glückwunsch zu dieser Idee! Das ist ja mal was Neues, eine tolle Basis.
Die Formulierung im Text klingt schon sehr nach Patent, richtig?

Rein vom Gefühl her empfinde ich die Menge an Einzel-Flügelchen etwas zu hoch. Der WInd könnte dadurch
zu Verwirbelungen neigen, und das gerade auch in wichtigen Kreissektoren des Rotors.

Ich meine Folgendes:
Neues WKA.JPG
Neues WKA.JPG (113.71 KiB) 22484-mal betrachtet


Der Wind bläst von links, die WKA dreht sich links herum. In den grünen Bereiche 1 und 2 werden die meisten Kräfte für die Drehbewegung
erzeugt. Strömt nun der Wind durch das Gitter im Bereich 1 kommt es durch die Dichte an Streben zu Verwirbelungen. Dadurch vermute ich, daß
im Bereich 2 nicht mehr viel "geerntet" werden kann.

Mein Empfinden ist, daß die Konstruktion etwas offener gestaltet sein sollte um mehr Energie aus dem Wind zu ziehen.

Nichts desto trotz, deine Idee finde ich absolut klasse!

Viele Grüße

Sebastian
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon Bernd » So 27. Mai 2012, 08:13

Zuerst, also beim ersten Betrachten (ohne Lesen) dachte ich es sollte eine Art Gitterkonstruktion für einen Masten sein.
Jetzt peile ich erst das es das Windrad selbst sein soll. Tatsächlich eine gute Idee auf die ich selber nie gekommen wäre.
So ganz kann ich mir ehrlich gesagt noch nicht vorstellen das das alles in sich stabil bleiben wird denn bei Sturm wirken
echt irre Kräfte.
Neben den von Sebastian angesprochenen Vorbehalten bei der Verwirbelung, die nach meiner Einschätzung auch bzw.
vielleicht überhaupt erst durch die Durchströmung einer Gitterkonstruktion entstehen, sehe ich einen Nachteil darin das man
hier nicht mit einem Pitch der Flügel arbeiten kann, was für Grosswindräder aber vorteilhaft wäre.
Der Anstellwinkel aller Flügel ist fix.

Auf jeden Fall ein sehr interessanter Ansatz den man genauer weiter verfolgen sollte.

Grüsse

Bernd
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon SBRI » So 27. Mai 2012, 11:37

Hallo Sebastian und Bernd,

danke für das sehr schnelle feedback und die vielen Anmerkungen!

zunächst zu Sebastian:
Ich gebe zu, auch ich hatte am Anfang das "Gefühl" das so ein Gitter zu zu viel Verwirbelung führt. Gefühle täuschen zwar selten, in diesem Fall glaube ich das jedoch schon:
Jede Windkraftanlage mit vertikaler Rotationsachse hat prinzipiell dieses Problem, das der Flügel auch auf "Leeseite" durch den bereits gestörten Wind hindurch muss. Die Luftströmung ist nicht mehr homogen sondern verwirbelt. Dies führte meines Wissens bei den ersten Darieus-Anlagen zu üblen Schlägen auf den leeseitig durchläufenden Flügel.
Die Frage ist, was ist besser: wenige große Flügel mit entsprechend großen singulären Verwirbelungen oder eher viele kleinere? Ich glaube, das sich die vielen kleinen Verwirbelungen über die Distanz wesentlich früher auflösen und homogenisieren als eine Größere. (Ich würde mit einem Ultraleichtflugzeug lieber durch die Wirbelschleppe von 100 Cessnas als von einem A380 durchfliegen!)

Man kann es auch noch anders betrachten:
Ich stelle mir eine Windabdeckung von z.B. 10% vor und schaue orthogonal auf einen Ausschnitt der Windkraftanlage von z.B. 10x10m(Ansichtsausschnitt). Dann ist es für den Wirkungsgrad recht unerheblich, ob die Fläche von 1m breiten Flügeln aller 10m oder nur 20cm breiten Flügeln aller 2m quer durchschnitten wird. (sonst müssten große und kleine Windkraftanlage vollkommen unterschiedliche Wirkungsgrade erzielen, tun sie aber nicht). Ein feines Netz ist also nicht besser oder schlechter für die Windausbeute im ungestörten(luvseitigen) Durchgang. Lediglich der Abstand zum leeseitigen Durchgangs der Flügels ist in Bezug auf die Größe der Flügel bei einem feinen Netz größer und damit günstiger. Bin nicht sicher ob ich mich hier verständlich machen kann, ansonsten gilt einfach die obige Erklärung.

Die horizontalen Streben sind zugegebenermaßen nicht aerodynamisch am Vortrieb beteiligt. Sie sollen aber möglichst schlank ausgebildet werden und sollten damit keinen all zu riesigen negativen Effekt haben. Sie haben nur einen Widerstand aus der seitlichen Oberflächenströmung, was relativ überschaubar sein sollte. (Das Profil muss nicht durch den Wind geführt werden sondern dreht sich als Ring)
Grüße
Stev
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon SBRI » So 27. Mai 2012, 12:05

...nun zuu Bernd Äußerungen.

Ja! Gerade wegen diesen "echt irren Kräften" ist es so entscheidend eine Tragwerkskonstruktion zu wählen die materialeffizient die Lasten abtragen kann. Diese doppelt gekrümmten Netzgitterstrukturen mit Dreiecksmaschen sind im Bauwesen bekannt als extrem leistungsfähig. "Erfunden" wurden sie vom Architekten Frei Otto mit dem Projekt Multihalle in Mannheim (hier ein paar Daten: maximale Spannweite 60m, verwendete Holzlatten: 5x5cm !!)
Oder man schaut mal bei www.sbp.de sich die Beispiele für Netzschalen mit Dreiecksmaschen an.

Die Frage nach dem Pitch ist berechtigt. Prinzipiell ist beides denkbar: mit und ohne Pitch. Was besser wäre, läßt sich nicht so ohne weiteres sagen. Wie so ein Pitch funktionieren könnte müsste man sich auch noch ausdenken. Vorteil bei einer Anlage mit großen Durchmesser wäre allerdings, das die Blattverstellung relativ langsam erfolgen kann, da eine Umdrehung schon mal 10 sec statt Bruchteile einer Sekunge dauern kann.
Allgemein empfinde ich allerdings eine technische einfache Lösung ohne extra Mechanik aanstrebenswerter als eine komplexe Struktur, welche vielleicht etwas mehr aus dem Wind holt dafür jedoch teuerer und wartungsanfälliger ist.

Schöne Grüße
Stev

Und noch zu Sebastian: ja, ich habe zum Stand der Idee ein Patent beanragt, bevor ich es z.B. hier im Forum öffentlich mache. Ob es überhaupt patentfähig ist weiß ich im Moment noch nicht und mir ist auch bewust, das eine Idee vollkommen wertlos ist, wenn sie nicht weiterentwickelt und realisiert wird.
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon seb » So 27. Mai 2012, 14:44

Trotzdem Kompliment zum Mut!

In deinem PDF hast du auch die Abbildung Fig.11. Die gefällt mir, um das Thema mit der Strömung wieder aufzugreifen, auch sehr gut.
Vielleicht wird das Optimum in einer Mischung aus beiden Bauweisen liegen.

Lass mal eine Simulation fahren! Das wird einiges an Verständnis einbringen!

Ist diese Dreieckskonstruktion auch in dieser vorgestellten Form im Kreis stabil?
Oder müssen die waagerechten "Ringe" besonders formstabil ausgeführt sein?

Viele Grüße

Sebastian
Viele Grüße

Sebastian


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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon SBRI » Mo 28. Mai 2012, 12:06

Hallo Sebastian, und natürlich auch alle anderen Lesenden!

Wie fein- oder grobmaschig das Netz sein muss ist schwer zu sagen. Ich vermute das Optimum eher im feineren Bereich, aber um das heraus zu finden müsste man mehrere Varianten komplett durchrechnen und gegeneinander vergleichen - genügend Stoff für mindestens eine Doktorarbeit....

Zu Deiner Frage nach der Formstabilität der Ringe: Nein, die komplette Struktur könnte man aus einzelnen Streben zusammensetzen die untereinander (im statischen Sinne) gelenkig verbunden sind. Das heißt in den Knotenpunkten müssen keine Biegemomente übertragen werden. Stell Dir ein Modell aus dünnen Holzstreben vor - die Gesamtstruktur wird steif, selbst wenn die einzelnen Streben untereinander nur z.B. mit Klebeband, also nicht biegesteif verbunden sind und selbst die Ringe aus vielen einzelnen Streben bestehen.
Dies ist im übrigen ein wesentlicher Aspekt für eine wirtschaftliche Realisierung des Netzgitters, da biegesteife Anschlüsse viel kostenintensiver wären.

Was meinst Du mit "Simulation fahren" genau?
Ich habe einige überschläge Berechnungen per Hand gemacht um auch die Kosten grob abschätzen zu können. Jetzt müsste man mit FEM ran um die Gesamtstruktur genauer zu dimensionieren. Dazu bräuchte man aber zunächst die Lasten auf die Profile während des Betriebes. Wie könnte man die definieren?
Alternativ überlege ich zumindest mal die Struktur im abgeschalteten Zustand statisch berechnen zu lassen - dies ist noch mit überschaubaren Aufwand schnell möglich.
Welchen Energieertrag eine derartige Struktur liefern kann ist sicherlich schwerer berechenbar als sie statisch zu dimensionieren. Hier habe ich bis jetzt die Leistung lediglich über die üblichen Wirkungsgrade von H-Rotoren hochgerechnet. Wenn das jemand besser kann bitte melden!!

Schöne Grüße
Stev
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon Ilias » Di 29. Mai 2012, 01:42

hallo stev,
mal ne kurze frage zwischendurch.
von was für dimensionen soll den diskutiert werden?
welchen ertrag erwartest du?
wie soll die verankerung am boden statfinden, er muss ja rotieren?

ok sind 3 geworden erstmal...

gruß
Ilias
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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon seb » Di 29. Mai 2012, 05:25

Hallo Stev,

Ich habe folgendes Gedankenmodell dazu:

Stelle ich mir dein Windrad wie eine Schüssel oder Vase aus Kunststoff vor, so ist sie ja auch weitestgehend formstabil.
Aber drücke ich oben am Rand an 2 Seiten die Schüssel zusammen, so wird sie im horizontalen Querschnitt eiförmig.
Ich bin mir eben nicht sicher, ob die 3-Eck-Verbindungen diesen Zustand tatsächlich unterbinden würden....?!

Mit Sim fahren meinte ich eine Strömungssimulation am Rechner, am besten eine dynamische.
Damit könnete man herausfinden, wie fein die 3-Ecks-Struktur werden darf um noch effizient zu arbeiten.

Viel Grüße

Sebastian
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Sebastian


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Re: Vertikal-Rotor – neues Grundkonzept

Beitragvon SBRI » Di 29. Mai 2012, 23:00

Hallo Allerseits,
Ja, wenn die "Vase" im oberen Bereich wenig gekrümmt ist wird sie weich. Also entweder gut gekrümmt formen oder ein liegendes Speichenrad einfügen - das bringt viel Steifigkeit, welche sich auf die gesamte Struktur auswirkt.

Wie der rotierende Ring unten ausgebildet werden kann, steht ansatzweise im Text - hier kann man sicherlich noch lange tüfteln was die wirtschaftlichste Lösung ist. Zur Grösse und Leistung werde ich demnächst mal was ansetzen und genauer darstellen.

Bin jetzt jedoch gleich auf See unterwegs und werde wohl oft nicht zeitnah Antworten können.

Schöne grüße, Stev
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