der Batterieschrank ----------------------- Zusammenhang zwischen Sonne und Windenergie

Ummantelte Windturbine

mantelturbine

Das Prinzip der ummantelten Windturbine besteht einfach aus der Tatsache ,das hinter der größeren Öffnung an der Turbine ( Windauslass) ein Unterdruck entsteht, der die Windgeschwindigkeit um ca. 20% erhöht. Dadurch entstehen an der Turbine auch wesentlich höhere Drehzahlen und Fliehkräfte denen beim Bau Rechnung getragen werden muß.
Da ich vorhabe diese Turbine selber zu bauen, was noch einige Zeit dauern wird, muß ich mich mit kleineren Versuchen erst einmal rantasten. Das technische Grundprinzip einer ummantelten Windenergieanlage, ist nicht neu, jedoch wurde dieses von der Industrie zugunsten grosser, freifahrender Anlagen vernachlässigt, bei welchen deren strukturelle Komplexität und die damit verbundenen Kosten den Einsatz von Diffusoren verhindert haben.

Die gegenüber freifahrenden Windenergie-Anlagen bei der Mantel -Turbine wesentlich erhöhte Energieausbeute beruht hauptsächlich auf folgenden Faktoren: der die Turbine um- und durchströmende Wind wird durch den nach dem aerodynamischen Prinzip eines Flugzeugflügels arbeitenden Diffusor beschleunigt.
Der im Bereich der höchsten Windgeschwindigkeit angeordnete Rotor entzieht dem Wind Nutzenergie, wobei durch den sehr geringen Abstand zwischen Propeller-Flügelspitzen und Diffusor die Effektivität des Rotors noch weiter erhöht wird, da der Wind diesem nicht ausweichen kann.

Turbine mit Diffusor-Mantel


Die Anwendung eines Trichters vor dem Rotor wäre ein naheliegender Gedanke, das Ziel zu erreichen, mehr Wind einzufangen. Theoretische und experimentelle Untersuchungen haben allerdings gezeigt, daß damit praktisch keine Steigerung der Leistungsausbeute zu erreichen ist. Offensichtlich wird der Luftdurchsatz durch den Trichter von der kleineren Öffnung bestimmt, und außerdem wird eine dem Windstrom entgegengesetzt wirkende Zirkulationsströmung vom Trichter erzeugt.

Ein Diffusor stellt eine Ummantelung des Rotors mit einem umgekehrten Trichter dar und ist auch wesentlich wirkungsvoller. Dieser Diffusor bewirkt eine zusätzliche Zirkulationsströmung, deren Geschwindigkeitskomponenten im Diffusor gleichsinnig mit der Windströmung gerichtet sind und diese somit verstärkt. Der Leistungsbeiwert des Rotors steigt auf Werte von 2,0 bis 2,5 bezogen auf die Rotorfläche. Fairerweise muß der Leistungsbeiwert jedoch jetzt auf die maximale Querschnittsfläche des Diffusors bezogen werden. Damit sinkt der Leistungsbeiwert auf ca. 0,75 ab, immerhin ein bescheidener Gewinn gegenüber dem freiumströmten Rotor.

Querschnitt Turbine

So, es geht endlich los mit der Mantelturbine !!!

Ich habe vor einen Black 300 als Mantelturbine zu konstruieren.Da es sowas noch nicht gibt und im Web auch nichts drüber zu finden ist, werde ich mich wohl auf meinen Instinkt und ein paar Berechnungen von wegen der Windlast und Statik konzentrieren müssen.
Das Wirkungsprinzip habe ich ja schon im oberen Teil beschrieben und jetzt geht es nur noch um den reinen Bau der Turbine.
Die Turbine werd ich wegen der Größe aus 4 einzelnen Segmenten in der Bauweise wie Flugzeugflügel in Gerippebauweise fertigen. Die einzelnen Werkstoffe und Einzelheiten werde ich in Reihenfolge nach und nach beschreiben.

Sollte es jemanden geben der eine Verbesserung oder einen Vorschlag hat, bitte ich um Kontakt auf der entsprechenden Seite.

105 Sperrholz und 4 Douglasieschablonen

Alles fängt erst mal mit einer Schablone an. Diese Schablone bildet nun die Form des Körpers, da alle Segmente ob breit oder schmal dieselbe Form haben. Sie hat eine Tiefe von ca.700 mm, eine verbreitete Lufteintrittsöffnung und einen sehr verbreiteten Luftaustritt.
Die genauen Daten mit einem Profil 1:1 werde ich später einfügen.

Segmente ungeschliffen

Die Profile bekommen im geraden mittleren Teil noch 4 Einfräsungen mit 10x 15 mm um die Rundsegmente aufzunehmen.Die einzuleimenden Segmente dienen nicht nur zur optischen Rundung, sondern auch zur Stabilisierung des Turbinenkörpers.
Diese Segmente sind also je der vierte Teil des kompletten Kreises, demnach benötige ich 4x4Segmente= 16 Rundsegmente.
Diese Sachen lassen sich auch auf jeden beliebigen Durchmesser verrechnen.
Die Umpfangsberechnung ist eigentlich noch relativ simpel, wobei ein Kreisauschnitt schon schwieriger ist. Die Segmente müssen vor dem Verleimen auf exakte Größe gebracht werden. Beim späteren Zusammenbau der Segmente muß ein gleichmäßiger Kreis entstehen.

Da sich herausgestellt hat das der Repellerumpfang doch ein wenig größer als 124 cm ist, habe ich mich entschlossen den Innendurchmesser auf 126 cm zu erhöhen. Durch Berechnung des Umpfangs bedeutet dies für mich ich muß bei allen 4 Segmenten ca. 17 mm zugeben um auf 126 cm Durchmesser zu kommen.

Jetzt sind erst mal alle Teile für den Zusammenbau der einzelnen Segmente fertig. Wichtig für mich wäre es jetzt den Rohrdurmesser durch die Turbine zu wissen um die Segmentendteile fertig zu stellen.
Es handelt sich um 24 Fichtespanten , ca.180 Birkensperrholzspanten 5 mm und 4 Erlespanten . Das alles wird demnächst mit den Querspanten verleimt und geschossen.
Die Querspanten sind genau auf einen Viertelkreis geschnitten und brauchen nur noch in die dazugehörigen Nuten eingelegt und befestigt werden.

Die Viertelsegmente

Bei den Endstücken müssen noch die Schraumuffen für die Querstabilisierung eingebracht und die Bohrungen für den Hauptträger gemacht werden.
Vorher muß ich noch in die Schlosserei und etwas über den Durchmesser des Hauptträgers erfahren und den Umbau des Mastdrehkopfes in Auftrag zu geben.
Da es sich um einen kompletten Umbau eines Mastdrehkopfes vom Black600 handelt, werde ich dieses Thema gesondert behandeln.

Außensegmente mit Mastbohrung...

Nach dem ich nun weiß das der Generatorhalter einen Durchmesser von 48 mm hat, habe ich diese auch in die Außensegmente gebohrt. Gleichzeitig habe ich noch 2 Eindrehmuffen M8 für die Querstabilisierung eingebracht.
Die Halteplatten für die Windfahnen aus Alu 5mm habe ich auch gleich in die oberen Segmente mit eingepasst.

Grundkörper verleimt

Jetzt geht es los mit der Verleimung der 4 Segmente. Dabei werden erst mal die Grundkörper verleimt und mit Stiften gesichert. Dabei werden erst jeweils die Außensegmente angeleimt und dann der Rest der Massivholzspanten auf dem Viertelkreis aufgeteilt.Die Massivholzspanten habe ich zur Reduzierung des Gewichts mit 40 mm Bohrer ausgebohrt. Bei dem späteren Ausschäumen mit 2K Schaum erreiche ich auch noch eine höhere Festigkeit des Grundkörpers.

Grundkörper mit Verleimschablone

Nach verleimen des Grundkörpers wird dieser mit einer Verleimschablone bis zur Aushärtung gesichert.

Verleimte Grundkörper

Nachdem nun alle Grundkörper verleimt und fixiert sind können die Sperrholzspanten eingepresst werden. Diese werden ohne Leim in die entsprechenden Nuten eingepresst und mit feinen Stiften leicht angeheftet. Die endgültige Form werden sie erst beim Ausschäumen bekommen und bis dahin müssen sie noch etwas flexibel zum Ausrichten sein.

komplettes Viertelsegment

So sieht nun ein komplettes Viertelsegment aus und es hat zu meinem Ärger auch schon ein ordentliches Gewicht. Ich hätte mir vieleicht die Zeit nehmen sollen die Sperrholzspanten auch Auszubohren.
Jetzt muß ich noch die Führungsdübel einleimen und dann kann ich die 4 Segmente zusammensetzen und mit Folie und Klebeband fixieren.

Der Zusammenbau

Bevor ich mit dem Zusammenbau beginne muß ich noch einige Veränderungen vornehmen. Erstens muß ich die Grundplatte zum Verleimen auf 160 x 160 cm vergrößern und auf dem Arbeitstisch so anbringen, daß diese drehbar ist.
Zum anderen muß ich ein paar Distanzringe für die Mastbefestigung anfertigen, da es sich ergeben hat das der Rohrdurchmesser nur 42,xx mm beträgt- anstatt 48 mm.
Da ich vor dem Ausschäumen sowieso den ganzen Korpus sichern muß, bzw. den Abstand der Segmente justieren muß- wird es sich noch ein bischen hinziehen.

Jetzt gehts endlich los,ermal habe ich die 4 Segmente zusammengesetzt und vorbereitet zum Ausrichten. Das es ein exakter Kreis wird habe ich 4 Formleisten mit je 125,6 cm angefertigt und diese eingesetzt.


Bei den ausgerichteten Segmenten kann man schon die Form der Turbine erkennen. Im inneren habe ich einen Rundstab durch die gesamte Turbine gelegt, um diese dann beim Ausschäumen auf einem Gestell drehen zu können.


Nach der Verleimung der rechten und linken Segmentteile, der Ausrichtung und der Sicherung der Drehstange habe ich diese dann mit Klebefolie vorläufig gesichert.
Jetzt wo die Turbine seine endgültige Form hat, kann man erst mal sehen wie groß sie wirklich wird. Ich hoffe das sie nicht noch viel mehr an Gewicht zulegt.

Das Ausschäumen

Nachdem ich nun die Turbine innen ausgesteift und außenrum mit Klebeband gesichert hatte konnte ich endlich ausschäumen.
Dazu nahm ich 12 Dosen Zweikomponenten- Zargenschaum. Dieser ist zwar nicht gerade billig, aber durch seine Zusammensetzung härtet er wesentlich besser aus als " Baumarktschaum".
Warum er solch unterschiedlichen Farbnuancen von dunkelblau bis beige hat, kann ich auch nicht sagen- es war auf jeden Fall ein Gebinde.

Nach dem Aushärten habe ich den überstehenden Schaum über den Spanten abgeschnitten und bis auf die Spanten abgeschliffen. Da noch einige Lücken zu füllen waren, mußte ich noch einige Dosen aus dem Baumarkt holen.

Nach dem beschneiden des überstehenden Schaumes habe ich dann die Turbine wieder in 2 Hälften geteilt, da ich diese wesentlich leichter bearbeiten kann.
Wenn innen alles ausgeschäumt und verschliffen ist, kann ich an der Außenseite die Folie entfernen und die restlichen offenen Spanten ausschäumen.

Es geht wieder weiter mit der Turbine. Es ist Ostern 2011 und ich hab endlich wieder Zeit dieses Projekt weiterzubauen.
Erst mal mußte ich die Turbinenhälften wieder in Form bringen, denn sie hingen ein paar Monate an der Wand und haben sich durch die Schwerkraft leicht verzogen.
Nachdem sie wieder in Form waren, habe ich sie von innen versteift um erstmal die Außenhülle mit Epoxidharz und Glasfasergewebe zu verstärken.

Die Materialien habe ich von der Fa. Breddermann und sie lassen sich auch wunderbar verarbeiten

So, nun zum Aufbau der Oberfläche im einzelnen.
Erst wird eine dicke und zähe Masse aus Epo, Härter,Hohlglaskugeln und Thix. hergestellt. Da ich eine Zeitspanne von ca.45 min ( je nach Temperatur und Feuchtigkeit) habe, konnte ich diese Masse erst einmal auf meine ausgeschäumten Spanten mit einem Pinsel verteilen.

Ganz wichtig !!!!
Atemschutzmaske und Handschuhe tragen, dieses Material ist in der Reaktionszeit sehr reizend !!

Nachdem nun innen und außen alles abgehärtet ist habe ich es das erste mal ausgeschliffen om eine einigermaßen glatte Oberfläche zu bekommen.Dazu eignet sich am besten eine stufenlos verstellbare Poliermaschine die im Angebot einiger Baumärkte zu haben ist. Da die Turbine sowieso rot werden sollte, habe ich gleich vom ersten Anmischen an rotes Farbpulver mit zugegeben.

Nachdem alles ausgeschliffen ist habe ich Epoxid ohne zusatzstoffe angemischt und innen/außen mit 2 Lagen Glasfasergewebe ( 1 x längs, 1x Quer) belegt.
Alle eingearbeiteten Muffenlöcher müssen natürlich vorher mit entsprechenden Schrauben gesichert werden !!

2X Glasfasergewebe

Die Hochzeit !!!!

Endlich habe ich es geschafft beide Hälften miteinander zu verbinden. Da die Aussparungen und die Formteile schon durch Dübel in der Urform verbunden waren, brauchte ich nur noch den vorgefertigten Mast auszurichten und die Hälften mit Epoxid zu verbinden.

fertig verspannter Körper

Nachdem nun der Turbinenkörper verbunden war, brauchte ich nur noch ausspachteln und die Nähte mit einer schicht Glasfasergewebe und Epoxid sichern, verschleifen und Endversiegeln.

Jetzt kann ich den Mast bzw. mich um die Stromübertragung kümmern. Da die Turbine mit Generator und allen Restteilen ein stattliches Gewicht bekommt, werd ich sie über ein Vierlochflanschlager verstreben.

Mastteil mit Flanschlager und Regenhaube

Das Innenleben

Jetzt geht es an das Innenleben. Zuerst habe ich den Generator mit den 3 Blättern montiert und ordentlich ausgewuchtet. Da ich den Generator schon beim Mastbau " trocken" eingepasst hatte, musste ich ihn nur noch kurz ausrichten und verschrauben.

Turbine mit Verkabelung

Da der Generator mit der Verkabelung flexibel sein muß, habe ich mich entschlossen, sie mit einemKaltgerätestecker- und Buchse zu verbinden. Diese Stecker haben einen ordentlichen Querschnitt, sind dreipolig und lassen sich auch gut bearbeiten.

Um im inneren der Turbine mehr Stabilität zu bekommen, habe ich noch 2 Stabilisatoren quer eingepasst. Diese bestehen aus lakiertem Eschenholz und sind dem Profil eines Flugzeugflügels sehr ähnlich.

Turbine mit Querstabilisatoren

Der erste Versuch zum aufstellen

Wie immer wenn man an alles gedacht und vorbereitet hat geht auch meistens etwas schief. Es ist wie bei allen Bastlern, ein Grat zwischen Erfolg und Niederlage.
Wir haben das Teil von der Halterung runtergenommen und erstmal auf die Waage gestellt, etwa 100 Kg Gesamtgewicht - ist auch das was ich erwartete.

Jetzt mussten wir zu dritt das teil nur noch zum Hebekran transportieren und hochziehen. Eigentlich ganz einfach, aber auch ein wenig Grenzwertig.
Die Seilwinde ist ohne Umlenkrolle für 300 Kg ausgelegt ,die Hebewinde für den gesamten Mast für 3,5 Tonnen !!
- also genug Spielraum nach oben.

abgeknickter Kranarm

Abgeknickter Ausleger

Was auch immer passiert ist, es geht weiter. Jetzt werde ich einen neuen Versuch mit einem dickwandigen Ausleger und einigen Umbauten an den Seilwinden starten.
Es gab keine Verletzten und keinen Sachschaden, also war es wie eine vermasselte Generalprobe.

Trotzdem haben wir , nach Abbau des "Schrottes", hinterher noch ein wenig vorgefeiert----gehört auch dazu !!

der neue Ausleger

Nachdem nun der abgeknickte Ausleger neu und stabiler umgebaut wurde ,hab ich ihn gleich wieder aufgebaut und angeschlossen - für Versuch Nr.2 .
Dabei musste ich nun aber einen Endschalter der Seilwinde außer Betrieb setzen, da das Mastrohr beim hochlassen immer ein wenig in Schwingung gerät und die Seilwinde bei ab einer bestimmten Gradzahl eigenständig abschaltet.

ein Wahnsinn

Bis auf dieser Höhe hatten wir die Turbine schonmal, und dann knickte der Mast ab.
Diesmal sollten wir aber mehr Glück haben.

fast bis oben

Turbine über dem Flansch

Noch das Kabel durch das Flanschloch und festmachen.

jetzt noch festmachen

Durch eine kleine Fehlrechnung saß der eine Flansch doch nicht genau über dem anderen. Das mussten wir dann mit beiziehen über die Verschraubung machen.
Sollte ich nochmals in die Verlegenheit kommen den Mast anzulegen, weiß ich nun genauer wo die Seilwinde hin muss.

letzter Stand der Dinge

Fazit bis hierher :

Die Turbine ist auf dem Dach !!!!- das war erst mal das wichtigste.
Jetzt wird sie noch an der Elektronik angeschlossen und dann muß ich noch das Drehverhalten im Wind beobachten.Ich nehme stark an, das ich noch 2 Seitenwindfahnen anbringen muß , da die oberhalb angebrachten Windfahnen nicht ausreichen die Turbine im Wind zu halten.
Das noch solche Kleinigkeiten hinterher kommen war mir schon klar, denn solche Projekte haben immer irgendwelche " Kinderkrankheiten" .

Das erste was ich noch ausmerzen mußte war die Instabilität des Diffusors im Wind. Also die oberen Windleitbleche reichten auf gar keinen Fall, da hab ich mich schon bei der Planung vertan.
Nach Aufrichten der Mantelturbine hat sie sich schon bei leichtem Wind ständig um die eigene Achse gedreht, dadurch konnte ja keine Drehzahl aufgebaut werden.
Deswegen habe ich mich entschlossen noch weitere Leitbleche anzubauen. Diese sind mit 2 A2 Gewindeachsen verschraubt. Dadurch ist es mir möglich die Leitbleche, nach längerer Beobachtung im Wind, nach zu justieren damit sie ständig frontal im Wind stehen.

letzter Stand der Dinge

Sommer 2012 07/12

Nachdem mir der Generator einige Probleme bereitet hat, habe ich mir einen neuen besorgt und hatte vor diesen zu wechseln.
Als ich die Blätter, auf einer langen grenzwertigen Leiter, abgebaut hatte; musste ich feststellen das die letzten paar
Stürme ihren Tribut gefordert hatten.
Eigentlich habe ich noch ein paar mehr Mängel festgestellt und mir bleibt jetzt nichts anderes übrig als den Mast noch mal aufzubauen und alles runterzuholen.
Es ist zwar ärgerlich, aber jetzt weiß ich auch was anders gemacht werden muß.
Wenn das Teil auf dem Boden ist, werde ich eine detailierte Fehlerliste anfertigen.