Diplomarbeit 12 MW Vertikalwindrad

[Wolkenstuermer]

Moin,
ich habe ein Problem, genau genommen sogar ein sehr grosses Problem. Ich habe als Diplomarbeit die Aufgabe bekommen eine WEA in vertikaler Bauweise für den Offshore-Einsatz zu konzipieren, allerdings mit 12 MW Leistung. Das Ding wird riesig, gigantisch riesig, wenn ich bedenke, dass Eole mit den 4MW, die sie liefern sollte schon 100m hoch war... Naja... Wie auch immer, mein Prof fand das Thema gut und ich finde es auch verdammt interessant. Ich denke, da kann ich mich ganz gut austoben. Im Moment stehe ich ganz am Anfang und ackere mich erstmal durch die theoretischen Grundlagen und suche nebenbei nach ähnlichen geplanten oder realisierten Anlagen und wo die Knackpunkte liegen, denn es muss einen Grund geben, warum die Vertikalrotoren heute nicht genauso verbreitet sind wie die Horizontalrotoren. So langsam dämmert mir, wo der liegen könnte...

Ich bin am Freitag auf der New Energy in Husum gewesen und habe mir erstmal nen ganzen Haufen Windräder verschiedenster Bauart angeguckt. Habe dabei auch den einen oder anderen guten Hinweis bekommen und ein paar Kontakte geknüpft. Das Internet habe ich ein wenig abgegrast. Es gibt eine Menge, aber wenig wirklich wissenschaftliches und wenig Berechnungen. Ihr habt mir auf dem Gebiet sicherlich einiges an Erfahrung vorraus, deshalb frage ich einfach mal, was ihr mir als Basisliteratur empfehlen könnt, sowohl Bücher als auch Links. Das Forum habe ich einmal grob quer gelesen, vertiefe das aber noch. Was für Bücher könnt ihr empfehlen, was habt ihr zu Hause stehen? Was lohnt nicht?

Um die Anlage so klein wie möglich zu halten ist ein hoher Wirkungsgrad wichtig, Ausfallsicherheit und nahezu Wartungsfreiheit, spielen Offshore aber auch eine Rolle. Um bei fast jeder Windstärke Energie zu produzieren wäre eine geringe Anlaufgeschwindigkeit von Vorteil...usw. Es gibt jede Menge einander teilweise widersprechende Zielvorgaben. Was denkt ihr, was für ein Rotor wäre dafür am ehesten geeignet? Klassisch wäre wohl eine Kombination von Savinous für den Anlauf und Darrieus für höhere Geschwindigkeiten. Oder sind der C-Rotor oder der Lenz Rotor besser geeignet? Stimmt es, dass sich Savinous mit mehr als 25qm Fläche nicht realisieren lassen? Wieviel bringt eine Pitchverstellung?

Es gibt tausende von Fragen zu klären. Einen groben Fahrplan habe ich und ich hoffe ich kann wie geplant mehr methodisch als chaotisch vorgehen. Ach ja die Idee mit der Lüfterwand dürft ihr als geklaut betrachten bin darüber gestolpert und fand die Idee genial einfach, so habe ich dann heute erstmal 25 Lüfter bei Ebay erstanden und sobald die da sind werde ich mir einen kleinen Windkanal zusammen zimmern, um die Basics nochmal systematisch zu überprüfen und dann die Prototypen systematisch vergleichen zu können. Was für Erfahrungen habt ihr mit euren Windkanälen gemacht? Was ist gut, was weniger? Was benötige ich am Messequipment und wo bekomme ich das möglichst günstig her? Taugen digitale Windanemometer für 20 Euro von Ebay etwas?

So nachdem ich euch fürs erste genug Löcher in den Bauch gefragt habe, gibts auch noch ne gute Nachricht. Da das eine rein wissenschaftliche Diplomarbeit ist und somit keine Sperrklausel drin ist, habe ich kein Problem damit diese euch zur Verfügung zu stellen und hier als Pdf oder so hoch zu laden. Ich denke mal, der eine oder andere Punkt könnte interessant sein. Noch kurz ein paar Worte zu meinem Hintergrund. Auch wenn es auf den ersten Blick so scheint, technisch unbewandert bin ich als Student der Ingenieurswissenschaften nicht. Das notwendige handwerkliche Geschick bringe ich mit und im Bau von Tragflächen etc. kenne ich mich aus. Hab in all den Jahren nen Haufen Modellflugzeuge gebaut und auch an den Großen rumgeschraubt. Dadurch, dass ich seit einigen Jahren aktiv Segelflug betreibe sind mir die Grundbegriffe, wie laminare Strömung, Windscherung etc. durchaus bekannt, nur das Thema Vertikalrotoren ist für mich vollkommen neu.

So, genug gelabert. Ich hoffe ihr könnt mir weiter helfen.

Viele Grüße,
Philip

[Roland]

Hallo Wolkenstürmer !

Bei welcher Windgeschwindigkeit soll dein Windkraftwerk denn die 20MW aufbringen.

Sowohl in der Rubrik Lenzrotor als auch beim C- Rotor gibt's Berechnungstools wo die benötigte Fläche für dein Windkraftwerk abschätzen kannst.
Wenn wir für die 12MW beim Lenz Rotor z.B: 20m/s als Punkt für die Nennleistung annehmen brauchst du 7481m² Fläche im Wind (das Entspricht einem Durchmesser von z.b. 87m x einer Höhe von 87m).

Für diese Größenordnung könnt ich mir nur mehr eine Lagerung auf Schienen für die Rotoren vorstellen.
Das heißt in der Mitte eine Achse, die Rotoren "fahren quasi außen auf einer Schienenbahn gemeinsam mit den Generatoren im Kreis (damit hast du dann auch gleich eine ordentliche Übersetzung für die niedrigen Drehzahlen). Jeweils eine stabile, aber leichte Verbindung oben und unten von jedem Flügel bis zur Achse. Damit man nicht ganz am Boden herumwurschtelt könnte man auch noch die Schienen- Kreisbahn auf Stelzen stellen. Dann die Flügel untereinander noch mit Seilen verspannt, damit nicht soviel Druck auf die Verbindungen Achse- Flügel kommt, und fertig ist das 20MW Vertikalwindrad

lg

Roland

[jb79]

Hallo Philip!

Die 12MW sind schon eine Dimension, in der man einiges falsch machen kann (Statik usw.), eventuell stimmen dann die von uns bisher ermittelten Meßwerte auch nicht mehr wirklich weil sich Meßfehler schnell addieren können und dann gehts plötzlich nicht mehr um +/- 0,1W sondern um +/- 100.000kW.

Für 12MW (habe auch 20m/s genommen) brauchst du einen C-Rotor, der nach unserem aktuellen Stand der Dinge ca. 15600m², da sind Abmessungen von z.B. 125x125m. Wichtig für die Größe ist also besonders, wann die angestrebte Leistung erreicht werden soll. Es macht einen großen Unterschied ob du 12MW bei 10m/s oder 15m/s haben möchtest, denn die Leistung steigt mit der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit.
Was man auch immer bedenken muß ist, daß man Vertikalwindräder prinzipbedingt nicht aus dem Wind drehen kann wenns mal wirklich stürmt. Du mußt dich also auch um eine entsprechende Bremsung kümmern bzw. die mechanischen Teile so auslegen daß sie auch Orkane überstehen. Horizontalwindräder sind in der Hinsicht leichter, entweder dreht man die Gondel aus dem Wind oder man verstellt die Blätter dementsprechend.

In jedem Fall hast du ein interessantes Projekt.

[Wilfried]

Hallo Philip,

an Deiner Stelle würde ich mich für eine Art Lenz entscheiden, weil Du da einfachere Strömungsberechnungen als beim C-Rotor hast. Savonius scheidet m.E. aus, weil der in dieser Größe nicht realisierbar ist und ohnehin die unwirtschaftlichste Lösung wäre.
Die Frage ist überhaupt, ob das Ungetüm in einem Stück verwirklicht werden muss, oder ob nicht ein Windpark realistischer ist - denn 1,2 MW sind für einen Vertikalrotor schon utopisch genug. Da hätte ein einzelner Rotor immerhin noch Abmessungen von 30 x 50 m und eine Drehzahl bei 10 m/s von nur 3 rpm.
Die Drehzahl bei 125 x 125 m Rotorfläche würde übrigens nur rund 0,8 rpm betragen.
Eine Alternative zu Fundamenten wäre die Rotoren schwimmend zu verankern, ähnlich wie Bohrinseln. So könnten die kostengünstig im Binnenland produziert und betriebsfertig vor Ort geschleppt werden. Da bewerbe ich mich doch gleich mal um den Auftrag für eine Pilotanlage

Beste Grüße
Wilfried

[Roland]

Die Drehzahl bei 125 x 125 m Rotorfläche würde übrigens nur rund 0,8 rpm betragen

Hallo Wilfried !

Also wenn ich die Rotoren auf einer Art Kreisbahn mit Schienen fahren lasse und die Generatoren direkt auf diesen Rotorwagen unterbringe, dann komme ich ohne zusätzliche Übersetzung mit einem Rad mit 20cm Durchmesser zwischen 76U/min bei 1m/s und 1604U/min bei 20m/s. Bei dieser Größenordnung würde ich ca. 9 oder mehr Flügel einsetzen, da sonst die Dimensionen der einzelnen Flügelblätter zu groß wären. (Wenn das nich so wie so schon der Fall ist)
Außerdem stellt sich bei mir die Frage ob ich überhaupt noch eine Mittelachse benötige. Je mehr Flügel ich Plane um so einfacher wird es sie untereinander zu stabilisieren....im Prinzip würde das wie ein sehr sehr hoher Zug der im Kreis fährt funktionieren.... oder auch nicht

lg

Roland

[Roland]

Hallo Philip !

Jetzt spinn ich noch ein bisschen weiter..
Man nehme eine Kreisschienenbahn mit 748m Durchmesser, 60 Wagons ohne aufbauten und platziere dort jeweils 10m hohe 15m lange und 3,5m breite Lenz Rotorblätter darauf. Die Wagone werden untereinander mit Stahlseilen verspannt. Die Generatoren können auf eigenen Wagen zwischen den Rotorblätterwagons im Kreis mitfahren, und erzeugen so den Strom.
So genug gesponnen....könnte aber so ähnlich funktionieren (wenn die Verluste durch die vielen Räder nicht zu hoch sind !)

lg

Roland

[Bernd]

Für Vertikalrotoren dieser Grösse sind die Bauprinzipien C-Rotor, Lenz-Rotor, Savonius und andere vergleichbare
nach meiner Einschätzung völlig ungeeignet. Das völlig muss man dabei noch fett unterstreichen, denn
wenn man von ca. 40% Solidity beim Lenz ausgeht, würde das bedeuten das man eine Gesamtflügeltiefe
von ca. 120m realisieren müsste. Wäre es ein Dreiflügler (gut man würde sicher keinen bauen) dann wäre
ein einziger Flügel 40m breit.....
Diese Bauprinzipien verlieren ihre Daseinsberechtigung und Vorteile beim Bau riesiger Windräder.

In dieser Grössenklasse müssen die Flügel beherrschbare Dimensionen erhalten und da geht es nach meiner
Auffassung nur über möglichst "zierliche" Auftriebsprofile, die dann vielleicht "nur" wenige meter breit werden.
Das ganze dann gerne mit einer Pitchregelung der Blätter, dann kann man sich Anlaufhilfen sparen.
Wenn doch eine Anlaufhilfe gewünscht oder nötig wäre, dann würde ich sie durch den Generator realisieren
der dafür kurzfritig als Motor eingesetzt wird.

Grüsse

Bernd

[Wolkenstuermer]

Für Vertikalrotoren dieser Grösse sind die Bauprinzipien C-Rotor, Lenz-Rotor, Savonius und andere vergleichbare
nach meiner Einschätzung völlig ungeeignet.

Sehe ich genauso. Ich vermute mal, dass ein Darrieus oder ein H-Rotor mit Pitchverstellung einen deutlich höheren Wirkungsgrad hat. Ich werde die anderen Bauprinzipien aber trotzdem mit in die Auswahl nehmen, die Vor- und Nachteile herausarbeiten etc. da dies zu einer systematischen Lösungsfindung dazu gehört. Ich denke das Hauptproblem sind die riesigen Flächen bei Sturm. Bei einem Haarrotor mit Pitchverstellung kann man die entsprechend aus dem Wind drehen, aber bei einem C-Rotor o.ä. würden die eine riesige Angriffsfläche bieten und die Kräfte gigantisch werden. Vermutlich würde es das Ding dann bei einem Sturm einfach aus der Verankerung reißen.
Bei einem Darrieus Rotor ist die Flächentiefe extrem gering, da hat man das Problem nicht. Bei der Eole mit ihren 100 m Höhe betrug die Tiefe trotzdem nur 60 cm!
Ich muss langsam mal ne erste überschlägige Dimensionierungsrechnung machen. Stimmt schon, es ist von entscheidender Bedeutung bei welcher Windgeschwindigkeit die 12 MW erreicht werden sollen. 10 oder 15 m/s ? Ich meine auf der Messe gehört zu haben, dass 14 m nen Standardwert für die Auslegung wäre... Das muss ich mit dem Prof aber nochmal klären, was er da haben will.
Was mir im Moment vorschwebt ist ein H-Rotor in drei oder fünfflügeliger Auführung mit einem Durchmesser von ca. 100 m und einer Rotorblattlänge von ca. 150 m der auf einem 30 m hohen Turm mit 50 m Durchmesser sitzt. Der Durchmesser ist deshalb so groß, da der Rotor im Direktantrieb einen Generator antreibt und da die Drehzahl wohl extrem niedrig sein wird, muss die Polpaarzahl dann halt extrem groß sein, damit da ne halbwegs brauchbare Frequenz raus kommt. Der große Durchmesser ermöglicht auch den Einsatz eines Lagers mit extrem großem Durchmesser, was sehr gut ist um die extremen Hebelkräfte die auf den Rotor einwirken aufzufangen. Offshore kann man das Ganze eigentlich nur einseitig lagern und nicht wie Onshore bei den großen Darrieus-Anlagen an der Spitze noch einmal abspannen. Möglich wäre das wohl auch, der Aufwand allerdings extrem hoch. Die Rotoren haben ne aktive Pitchverstellung und eine relativ geringe Tiefe von wenigen Metern, da eine hohe Streckung gut ist, um den induzierten Widerstand gering zu halten. Um eine Mittelsäule komme ich vermutlich aus Stabilitätsgründen nicht umhin. Ich spiele allerdings mit dem Gedanken diese als dreiflügeligen Lenz, C-Rotor oder auch Saviounus auszuführen. Halt eine extrem schlanke Ausführung und vermutlich zur Stabilisierung alle 10 m durch eine Verbindungsscheibe unterbrochen. Das halte ich für sinnvoller als in der Mitte einfach nur eine Röhre hinzustellen. Das müsste den Anlauf unterstützen, den Wirkunggrad minimal erhöhen und bei Sturm stellt es auch kein Problem dar, da die Fläche im Verhältnis zum Rest minimal ist. Mit dem riesigen Generator als Wirbelstrombremse ist man da sowieso auf der sicheren Seite. Das ist meine derzeitige Vision in ganz groben Zügen. Über den verstellbaren Rotorblättern wird vermutlich noch ein starrer Teil folgen um den induzierten Widerstand zu verringern und ein paar andere Nachteile des H-Rotors zu verringern. Das muss ich mit meinem Aerodynamiker nochmal genauer besprechen.
Was haltet ihr davon?
Wie schätzt ihr das ein, bringt ein C-Rotor o.ä. in der Mitte mit einem Durchmesser von sagen wir 5m überhaupt etwas? Oder verwirbelt der mir nur die Luft und sorgt für Probleme? Das wäre halt eine extem gestreckte Bauweise.
Was die Bauweise mit der Kreisbahn angeht, klingt interessant, hat aber den klitzekleinen Nachteil, dass der Platzbedarf extrem hoch ist. Da es sich um eine Offshore-Anlage handelt ist das so nicht zu realisieren. Aber was die Generatoren in den Rollen angeht, das überlege ich im Moment ernsthaft, da falls ich mich für Kugellager oder Rollenlager entscheiden sollte, die
rollenden Elemente verdammt groß wären und unter Umständen ist es wirtschaftlicher und einfacher zu fertigen 100 kleine sich drehende Generatoren zu haben als einen großen. Das werde ich nochmal mit meinem E-Technik Prof erörtern...
Mehrere kleinere 1MW Anlangen zu verwenden ist laut Aufgabenstellung nicht erlaubt...Damit würde ich am Thema vorbei schreiben. Zumal es Studien gibt, die besagen, dass Offshore Anlagen erst mit Anlagen mit mehr als 5 MW rentabel sind, weil nur dann der Ertrag in einem gesunden Verhältnis zu den enormen Fixkosten steht.
Vielen Dank für euer Feedback. Ich halte euch auf dem Laufenden.

Viele Grüße,
Philip

[miniwindi]

Bei der Höhe über dem Wasser die Monsterwellen nicht vergessen...

[Bernd]

Ja angesichts der Höhe des Rotors erscheint mir die Höhe des Unterbaus auch sehr gering.
Ist es auf dem Wasser nicht auch so das die Windgeschwindigkeit mit der Höhe über Grund steigt ?

Wie Herbert schon schrieb, 30m kann so eine Monsterwelle wohl wirklich erreichen.

Die Idee im Inneren Anlaufflügel zu platzieren würde ich persönlich verwerfen, vor allen wenn dieser
Hilfsrotor nur 5% des äusseren Durchmessers haben soll, dann würde er sicher nichts bringen.
Man veranschauliche sich das ganze, es wäre bei einem 1m Rotor ein Innenrotor von 5cm...
Das bringt gar nichts.
Ich glaube auch das deine Achse in der Mitte mit nur 5m statisch sicher nicht hinkommen wird.

Durch die Pitchregelung sollte der Anlauf kein Problem sein.

Grüsse

Bernd