Das auf dieser Seite beschriebene Rotorkonzept
verdeutlicht überzeugend die Vereinfachung des theoretischen "Idealflügels" hin
zum technisch vernünftigen des bewährten KUKATE-Typs.
Bedenken Sie bitte: Eine kleiner Windkonverter ist kein
"kleiner Großer"! Durch die bei kleinen Anlagen mögliche Abspannung der
Rotorflügel (ab KUKATE 4 kann sie sinnvoll sein) sind sehr gute Vereinfachungen
möglich.
Bemerkung: Im "Handbuch Windenergie-Technik" habe ich in den Abschnitten 5.3. "Der technisch vernünftige Flügel" und 5.4 "Rotorauslegung kurz und bündig" detailliert dargestellt, was hier nur kurz angerissen werden kann.
Vorüberlegungen zum KUKATER Rotorkonzept:
Nun folgen drei Gedankenschritte, der erste beschäftigt sich mit dem zu
erbringenden Materialaufwand für die Flügel,
der
zweite Schritt befasst sich mit der "Erntefläche". (Das ist die
Fläche, die vom Rotor überstrichen wird, aus der die Windkonverterflügel die
Energie aus der Luftströmung entnehmen.)
Der dritte Gedanke beschäftigt sich mit der stets perfekt wirkenden
Verwindung des Flügelprofils von der Nabe zur
Spitze.
1.)
Materialaufwand für die Flügel:
Ein theoretisch aerodynamisch optimal gerechnetes Rotorprofil ist an der Wurzel (im Nabenbereich) breit und an der Spitze schmal. (Man nennt dieses Maß die "Flügeltiefe".)
Oben sind 14 Spantenrisse eines 26m langen Flügels beispielhaft vom
(kreisrunden) Flansch im Nabenbereich bis zur Spitze hin aufgezeichnet.
Die ersten sieben Schnitte
zeigen anschaulich mit den Spanten 0-7 das immense
"Konstruktionsvolumen" der inneren Flügelhälfte im Verhältnis zum
Konstruktionsvolumen zwischen den Spanten 7-14 der äußeren
Flügelhälfte.
Wobei zwischen den Spanten 0-5 ohnehin keine nennenswerte Auftriebsaerodynamik
wirksam wird, sondern "nur" die Statik übertragen wird und der Übergang zum
kreisförmigen Nabenflansch geformt ist.
Überlegung:
Teilen wir zunächst gedanklich die Länge
des Rotorblattes von der Nabe bis zur Spitze in der Mitte der Länge durch zwei.
Wir erhalten so eine innere und eine
äußere Hälfte. Jetzt untersuchen
wir den Material- und damit den Kosten- und Gewichtsaufwand der beiden "Stücke".
ERGEBNIS:
Wie oben die Darstellung des "idealen Flügels"
veranschaulicht, ist der Material- und damit der Kosten- und Gewichtsaufwand für
die innere Hälfte um ein Vielfaches höher als der
für die äußere.
(In den obigen Grafiken wurde - wie
auch bei
allen konkreten Ausführungen solcher Rotorblätter - die theoretisch zum Zentrum
hin immer voluminöser werdende Profiltiefe abgebrochen und auf den
kreisförmigen Anschlussflansch der Nabe zurückgeführt.)
2.) Die effektive Erntefläche
Wie man mühelos beim Betrachten einer Kreisscheibe - zum Beispiel der
vom Rotor überstrichene "Erntefläche" - erkennt, überstreichen die inneren
Flügelhälften des Rotors nur ein Viertel der Erntefläche, die äußeren jedoch
drei Viertel.
Aus strömungstechnischen Gründen (geringe Umströmungsgeschwindigkeiten, kurze
Hebel) müsste aber in der inneren Hälfte bei dem oben genannten Beispiel ca. achtmal soviel Konstruktionsmasse
für die innen liegenden Rotorblatthälften verbaut werden, wenn auch die
Windleistung in diesem inneren Flächenviertel (!!!) von den Flügeln gut „abgeerntet“ werden
soll. Im nabennahen Bereich ist das jedenfalls praktisch unmöglich.
Schlussfolgerung:
Erstens: Alle Rotorblätter überstreichen mit ihrer inneren Hälfte nur 1/4 der
Erntefläche.
Zweitens: Sie sind aus technisch und wirtschaftlich vernünftigen Gründen zur
Mitte hin aerodynamisch ohnehin nicht optimal gestaltet.
Man spart große Flügelmassen im für den Ertrag uninteressanten inneren
Ernteflächenbereich und kann mit einem Bruchteil an Masse die Rotorflügel sehr
wirksam verlängern, um die 25% Innenfläche auszugleichen (Längere Hebel, große
überstrichene Erntefläche!!!
Die Sturmbelastung fällt geringer aus, da in der Summe eine kleinere
Windwiderstandsfläche die Anlage belastet !!!
(Bei den großen, nicht abgespannten Rotorflügeln macht eine - strömungstechnisch nie
ideale - Vergrößerung des Konstruktionsvolumens zur Mitte hin deshalb Sinn, weil
man in ihr "mehr Statik" für die Nabenverbindung unterbringen kann.)
3.) Die Verwindung
Als dritter Schritt für die "ideale" Rotorauslegung müssen die
unterschiedlichen Anströmrichtungen der Luft auf das
Rotorblatt berücksichtigt werden.
Die sich daraus ergebenden unterschiedlichen Anstellwinkel des Flügelprofils von
der Nabe zum Ende sind die Folge von Vorüberlegungen des Konstrukteurs.
Bei der Auslegung eines konkreten Rotors muss
der Konstrukteur drei Entscheidungen treffen: Er muss erstens die
Schnelllaufzahl,
zweitens die sogenannte "Auslegungswindgeschwindigkeit"
und drittens die Flügelanzahl festlegen. Als
Resultat daraus ergeben sich dann für jeden Einzelfall
Flügeltiefen und Verwindungswinkel.
Ein konkret mit verwundendem Rotorblatt und veränderlichen Profiltiefen
gestalteter Rotor ist nämlich nur für eine
einzige "Auslegungs"-Windgeschwindigkeit
ideal, für die sich der Konstrukteur entscheiden musste. Bei allen anderen
Windgeschwindigkeiten sind Verluste vom maximal Möglichen unausweichlich.
Erläuterungen zum Sachverhalt:
Die unten aufgeführte Grafik veranschaulicht beispielhaft Flügeltiefen und
Verwindungswinkel eines 5m-Rotors mit einer Schnelllaufzahl von ca.
λ=3.
Die Windumströmung des Rotorblattprofils (W) soll möglichst
immer die größte Kraft für die Energienutzung erzeugen.
Der Vektor der mittleren Windgeschwindigkeit von vorn auf die Rotorerntefläche (V´´Wind)
bleibt immer gleich.
Zur Nabenmitte hin wird der
Rotorumdrehungsgeschwindigkeitsvektor (UR) immer
kleiner (genau im Zentrum ist er Null).
Folgt das Profil der aus Umdrehungs- und Windgeschwindigkeit
zusammengesetzter resultierenden Anströmungsrichtung (W)
vernünftigerweise , so wird die Verwindung
zur Nabenmitte hin immer stärker. Die größte Verwindung hat demzufolge die
innere Rotorhälfte, die kleinste die
äußere.
Die untere Darstellung zeigt links die Strömungsverhältnisse anhand der
Strömungsvektoren, rechts verdeutlichen die gezeichneten Spanten den dazu
passenden "idealen" Rotor. (Angenommener Durchmesser 5m, Schnelllaufzahl
λ=3)
Ende der Vorüberlegungen:
Das von uns entwickelte Rotorkonzept unterscheidet
sich in drei Punkten von der oben beschriebenen theoretischen Idealkonstruktion:
1: Die Flügeltiefe ändert sicht nicht.
3: Das Flügelprofil bleibt über die ganze Länge
unverwunden.
3. Der Flügel überstreicht als Halbflügler die
äußeren 75% der theoretisch 100% Erntefläche.
Echter Halbflügler mit Flügeln aus Schiffsbausperrholz, Spanten und Holmen.
Zur Wiederholung: Das mit unterschiedlichen Profiltiefen und verwunden gebaute und Rotorblatt "stimmt nur" für eine einzige "punktuelle" Windströmungsgeschwindigkeit, die im Betriebsfall nur minutenweise oder sogar nur sekundenweise vorkommt. Bei allen anderen Geschwindigkeiten nimmt die Leistungsentnahme des "Idealflügels" über die gesamte Erntefläche gleichzeitig ab.
Der geniale Trick ist somit wie folgt
begründet:
Ein Rotorflügel, dessen
Profil sich in seiner Tiefe nicht ändert und der unverwunden ist, hat
Vorteile.
Denn in niedrigen Rotornaben höhen mit
hohen Turbulenzanteilen in der Windströmung schwächelt ein auf eine
Auslegungsgeschwindigkeit optimierters Hochleistungsprofil.
Erfahrungswert:
Praktische Versuche haben ergeben, dass die Leistungsentnahme maximal wird,
wenn der optimale Anströmwinkel und die (gleichbleibende) Flügeltiefe für das
Profil auf 5/6 der Flügellänge (entspricht 2/3
der Profillänge unseres Halbflüglers) eingestellt wird.
Dann ist der Rotor in einem weiten Windgeschwindigkeitsbereich
selbstregelnd.
Die Generatorbelastung (Leistungsentnahme) und der sich
bei den dann vorliegenden Drehzahlen anliegende Anströmwinkel sind dann meist
gut angepasst.
1. Fall: Geringere Windgeschwindigkeit als für die Auslegung:
Es wird dann bei geringerer als der (Auslegungs-) Windgeschwindigkeit der äußere
Bereich der vom Rotor überstrichenen Fläche am
optimalsten genutzt. Der Rotor läuft leicht
an.
Die Erntefläche ist dann groß, die wirksamen Hebel sind lang.
2. Fall: Höhere Windgeschwindigkeit als für die Auslegung:
Erreicht die Windgeschwindigkeit Werte, die die Pumpe bzw. den Generator
überlasten würden, "verlegt"
der Rotor KUKATER Bauart sein strömungstechnisches Wirkungsoptimum in den
inneren Bereich, ohne dass die Windströmung auf der ganzen Länge des Profils auf
einmal abreisst.
Die effiziente Erntefläche ist dann kleiner und die
Hebelarme sind kürzer.
Somit kann sich der Rotor automatisch in einem großen Betriebsbereich
gut der Kennlinie eines Generators anpassen - bis in hohe Windgeschwindigkeiten
gemeinsam mit Steuer- und Seitenfahne genau auf der Generatorkennlinie
betreiben.
Sind Böen stark, reißt die Strömung zuerst an den dann „falsch“
angestellten Blattspitzen ab und schont so die Konstruktion.
Passive Selbstregelung und passive Selbstsicherheit nennen
wir das.
Bei Starkwind bleiben die windbelasteten Rotorflächen und damit die
Windkräfte optimal klein.
Wer den nach unseren Messungen ermittelten Leistungsverlust des "technisch vernünftigen Flügels KUKATE" von ca. 15% vom optimalen Idealflügel (immer für nur eine einzige ideale Windgeschwindigkeit optimal!) ausgleichen will, brauch den Durchmesser des KUKATE-Rotors nur um 10% zu erhöhen, das heißt konkret, die Profile um 5% zu verlängern !
Oben mitte ein "klassische Spantenflügel" aus
Bootsbausperrholz - gleiche Tiefe und unverwunden.
Daneben eine typischer KUKATE-Halbflügler mit dem genial vereinfachten Rotor zur
Netzeinspeisung und unserem CK220 Alu-Profil
Der geniale Trick: Unverwunden mit einer
Flügeltiefe
Hier ein KUKATE-Einfachflügel aus einem1:10 gewölbten Blechrechteck. In
Entwicklungsländern eine praktische Verwirklichungsmöglichkeit.
Das Anlaufverhalten eines Rotors ohne besondere Anlaufhilfe ist abhängig vom Verhältnis aus "Schattenfläche" der Rotorblätter zur überstrichenen (Ernte-)Fläche
Das Verhältnis der Erntefläche- das ist die von den Flügelprofilen überstrichene Fläche - zur Schattenfläche der Flügel selbst ist abhängig von der Schnelllaufzahl SL. Bei Rotoren, die keine besondere Anlaufhilfe haben, soll das Verhältnis wenigstens 15% betragen, damit sie bei 2 bis 3 Windstärken von selbst anlaufen. Bei einer SL von 3 oder kleiner ist das praktisch immer gewährleistet.