Cand. mach. Aljoscha Göbel
(Fakultät für Maschinenbau
Fachgebiet Strömungsmaschinen)
Konzept einer Aufwind-Windturbine

Die Leistung eines Luftstroms steigt mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Die maximale Leistung, die dem Luftstrom entzogen werden kann, ist auf 59,3 % beschränkt. Eine Windkraftanlage kann sich diesem Wert nur durch die optimale Ausnutzung der Auftriebskraft annähern, für reine Widerstandsläufer liegt der maximale Leistungsbeiwert bei 0,2. In der bodennahen Schicht nimmt die Windgeschwindigkeit mit der Höhe näherungsweise nach einem logarithmischen Profil zu. Die Zunahme des Windprofils hängt von der Oberflächenrauhigkeit des Geländes und somit von den Hindernissen in der Umgebung ab. Die lokalen Umströmungen von Gebäuden ergeben eine Beschleunigung der Windgeschwindigkeit an den Dachspitzen, wenn das Gebäude frei angeströmt wird. Hinter dem Gebäude kommt es zu einer starken Verwirbelung des Windes. Falls höhere Gebäude in der Umgebung stehen, wird die Anströmung folglich stark beeinflusst. Die Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit lässt sich nur mithilfe langfristiger Daten feststellen. Kleinwindkraftanlagen sind anderen Problemen ausgesetzt als Großanlagen: Bei horizontalen Kleinwindkraftanlagen müssen mehr Strömungsverluste in Kauf genommen werden und die Lärmgrenzen sind aufgrund der geringen Nabenhöhe schwerer einzuhalten. Im Bereich der Kleinwindkraft gibt es eine hohe Vielfalt an unterschiedlichen Lösungen und somit grundlegend verschiedene Anlagentypen. Savoniuskonzepte versuchen, mit der Einfachheit des Systems zu überzeugen. Darrieusanlagen kommen gut mit urbanen Wechselwinden zurecht und versuchen, so den Durchbruch am Kleinwindkraftanlagenmarkt zu erreichen. Bei der Bewertung von vorhandenen Lösungen mit vertikaler Rotationsachse wurde ein sehr geringer Leistungsbeiwert festgestellt. Dreiblattrotoren erzielen dagegen die besten Energieerträge, haben aber Probleme bei der Einbindung in Gebäude. Aufgrund der teuren Komponenten und der durch die Nabenhöhe schlechteren Windbedingungen bieten all diese Anlagen aber aus heutiger Sicht wirtschaftlich keine Anreize. Die Angaben der Hersteller über Energieerträge sind geschönt und geben nicht die Leistung unter realen Bedingungen wieder. Mit einem Vergleich der Anlagen im Testfeld lassen sich jedoch schnell fehlerhaft entwickelte von zuverlässigen Konzepten unterscheiden. Da große Windkraftunternehmen keine Forschung auf dem Gebiet der Kleinwindkraft betreiben, wird die Weiterentwicklung der Lösungen vor allem von Pionierunternehmen und universitären Forschungsprojekten vorangetrieben.

Auf dem im Rahmen dieser Arbeit erstellten Zielsystem für eine Kleinwindkraftanlage wird ein neuartiges Konzept einer Durchströmturbine gestaltet. Das Konzept beruht auf dem Prinzip der umgekehrten Durchströmung eines Querstromventilators. Es sind keine Untersuchungen der Windenergieumwandlung mit diesen zweimalig durchströmten Laufrads bekannt. Die Gehäusekonstruktion ist auf Basis eines Keilzungengehäuses ausgeführt und wird an eine Dachschräge angepasst. Beim Test im Windkanal zeichnet sich die Konstruktion durch einen gleichmäßigen und einwandfreien Betrieb aus. Die erreichten Leistungen liegen bei einem 30 cm langen Laufrad im Bereich bis 1 Watt. Die Drehzahl der Anlage verläuft linear zur Windgeschwindigkeit und die Leistung steigt annähernd mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Auffällig ist eine ungleichmäßige Abströmung am Laufradaustritt, welche auf Spaltverluste hindeutet.

Die durchgeführten Messungen stellen eine Grundlage zum Verständnis der Durchströmturbine dar und geben einen ersten Eindruck über die Größenordnung der entnommenen Leistung. Der Leistungsbeiwert ist gering und lässt somit bei einer größeren Ausführung auf niedrige Energieerträge schließen. Durch die einfache Einbindung und mit angepassten Komponenten ist ein Betrieb auch im realen Wind möglich.