Windenergie

Windkonverter

Prüfstand zur Leistungsmessung eines Schlitzflügels

Entwicklung und Bau eines Windkonverters mit einem Schlitzflügel. Der Schlitzflügel geht auf ein Patent des Ingenieurs Khamas, Berlin/ Damaskus zurück, der uns gestattet hat, den Flügel weiter zu entwickeln und zu optimieren. Der Schlitzflügel ist schnell und einfach zu bauen und ist einem vergleichbaren, ungeschlitzten Windflügel überlegen, wenn bestimmte Konstruktionsprinzipien beachtet werden.

Der Schlitzflügel besteht aus einem trapezförmig zugeschnittenen Blech, das mit einem mittig verlaufenden Schlitz versehen ist, der kurz vor dem Flügelende in einer Bohrung endet. Die Längskanten der Bleche und der Schlitze sind nach einem bestimmten System gekantet. Zusätzlich werden die zwei Bleichstreifen des Flügels am Flügelaufnehmer schräg versetzt angeordnet, um dem Flügel Stabilität zu verleihen.

In den vergangenen Jahren haben Fachoberschüler in mehreren Physik –AG´s sehr viele Modellvariationen des Schlitzflügels in unserem offenen Windkanal untersucht und optimiert.

Schlitzflügel besitzen folgende Vorteile:

  1. Einfache Bauweise aus Blechstreifen aus Stahlblech oder Aluminium.
  2. Ihr Bau erfordert keine Spezialwerkzeuge.
  3. Höhere Wirkungsgrade als vergleichbare Blechflügel.
  4. Hohe Anlaufdrehmomente. Dadurch sind Schlitzflügel für den Direktantrieb von mechanischen Pumpen und elektrischen Generatoren geeignet.
  5. Geringe Flügelmasse.

Savoniusrotoren

Der Savonius- Rotor auf dem Schuldach

Der Fachbereich Physik beschäftigte sich in den vergangenen Jahren intensiv mit der Verbesserung von Savonius-Rotoren.

Vor dem Bau eines in der Praxis geeigneten Savonius- Rotors, wurden anhand von Pappmodellen verschiedene Modellformen im Windkanal optimiert.


Hier hatte sich eine Variante mit drei Widerstandsflächen als besonders günstig erwiesen, die letztlich als Vorbild für den Bau eines Rotors auf dem Dach der Schule diente.

Der Savonius-Rotor auf dem Dach der Schule hat eine Höhe von 2m bei einem Durchmesser von einem Meter. Am unteren Ende der senkrechten Welle, ist über eine Keilriemenübersetzung ein 60W Drehstrom-Generator mit Permanentmagneten angeflanscht, der eine Spannung von 12V liefert, die anschließend über einen Gleichrichter in Gleichspannung umgewandelt wird.

Der Savonius-Rotor unterstützt die photovoltaische Inselanlage mit Energie, was besonders in den Wintermonaten wichtig ist.
In der Literatur wird besonders die Sturmsicherheit eines Savonius- Rotors hervorgehoben, weil nach der Theorie die Verwirbelung der Luft bei hohen Drehzahlen eine weitere Drehzahlerhöhung verhindern würde.

Tatsächlich haben unsere Erfahrungen bei einem Orkan in Berlin vor einigen Jahren gezeigt, dass Savonius- Rotoren ohne Bremssysteme keineswegs sturmsicher sind, wie behauptet wird.
Unser Rotor erreichte bei dem Sturm 800 Umdrehungen in der Minute und war nur unter größtem persönlichen Einsatz der Kollegen mit Hilfe von Holzbohlen abzubremsen. Die dabei auftretenden Schwingungen und die hohe Rotationsenergie der rotierenden Masse von 100 kg, hätten den Rotor und das Gestell, bei einem weiteren ungestörten Lauf, zerlegt.

Nach diesen Erfahrungen wurde auf den Einsatz eines bereits fertiggestellten, noch weit größeren Savonius- Rotors mit einem Durchmesser von 2 m, verzichtet.

Der neue Savonius- Rotor auf dem Dach der Schule ist mit einer selbständigen Bremse versehen, die bei einer bestimmten Höchstdrehzahl den Rotor stilllegt. Die erneute Inbetriebnahme kann danach aus Sicherheitsgründen nur noch mit der Hand erfolgen.

Kernstück der Bremse ist ein Federzylinder mit einem Bolzen, der an der Rotorscheibe angebracht ist und mit dem Rotor mitläuft. Bei einer bestimmten Drehzahl löst der Bolzen, aufgrund der Fliehkraft einen außen liegenden Bremsmechanismus aus.

Trotz des, im Vergleich zu herkömmlichen Windrädern, geringen Wirkungsgrades von 12%, hat der Einsatz von Savonius-Rotoren folgende Vorteile:

  1. Einfache Konstruktion mit einfachen Materialien.
  2. Hohes Anlaufdrehmoment. Dadurch sind Savonius-Rotoren auch für den Direktantrieb von mechanischen Pumpen geeignet.
  3. Savonius-Rotoren sind im praktischen Einsatz sehr robust und zuverlässig und erfordern wenig Wartung.

Übrigens, die in der Literatur angegebenen Wirkungsgrade von 23% konnten von uns bei keinem der untersuchten Savonius-Rotoren erreicht werden. Diese Zahl scheint uns zu hoch gegriffen zu sein, sie liegt bei ca.12%.

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Sonntag, 09. 12. 2018