Forschungsprojekt der FHWS: Optimierung des Rotor-Wirkungsgrads einer Kleinwindkraftanlage

Rotor Wirkungsgrad Der Rotor ist das Herzstück einer Windanlage. Die Rotorform ist für den Wirkungsgrad und die Stromausbeute entscheidend. An der Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (FHWS) wurde ein Rotorblatt entwickelt und getestet, dessen Wirkungsgrad deutlich höher ist, als Angaben in der Fachliteratur vermuten ließen.

Das Forschungsprojekt Optimierte langsam laufende Windturbine (kurz: OptiBine) im Studiengang Kunststoff und Elastomertechnik an der FHWS wurde nach dreijähriger Laufzeit Anfang September 2015 abgeschlossen. Ende des Projekts ist Oktober 2015.

optibine_forscherForschungsgegenstand waren Kleinwindkraftanlagen mit vielen Rotorblättern. Je mehr Rotorblätter, desto langsamer dreht sich ein Rotor (meistens ist das so. Das Ganze ist aber davon abhängig, wie der Rotor ausgelegt wird, d.h. nach welcher Schnelllaufzahl. Theoretisch wäre auch ein langsamlaufendes dreiblättriges Windrad möglich, dann wären die Rotorblätter aber von der Fläche her sehr viel größer). Bestes Bespiel für sogenannte „Langsamläufer“ sind die Westernräder, die bis Mitte des 19. Jahrhunderts in den USA als mechanische Windpumpen tausendfach eingesetzt wurden. Auch heute werden solche Windräder noch als Wasserpumpen eingesetzt, vor allem in Entwicklungsländern.

Der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage hängt unter anderem von der Schnelllaufzahl ab, d. h. dem Verhältnis von Blattspitzengeschwindigkeit zur Windgeschwindigkeit. In der Fachliteratur wird für vielblättrige Windräder wie Westernräder ein Rotor-Wirkungsgrad (Leistungsbeiwert) von 30 % angegeben. Der physikalisch mögliche Maximalwert liegt bei 59 %. Moderne Windkraftanlagen mit drei Rotorblättern können einen Rotor-Wirkungsgrad über 50 % erreichen. Das Ziel von Prof. Walter Baur, Dipl. Ing. Stefan Frosch und zwölf weiteren Studenten: Einen Langsamläufer zu entwickeln, dessen Wirkungsgrad an das Niveau moderner Dreiblatt-Windturbinen heranreicht.

Simulation Strömung WindkraftanlageFür den neu entwickelten Rotor wurden moderne Werkstoffe in Form faserverstärkter Kunststoffe eingesetzt. Aerodynamik und Stabilität des Rotors wurden mit Hilfe von Computersimulationen (CFD, FEM) optimiert. Der fertig konstruiert Rotor wurde mit einem „fahrenden Windkanal“ getestet: Die Windanlage wurde auf einen Eisenbahn-Waggon montiert, so dass der Fahrtwind den Rotor in Bewegung gesetzt hat.

Das Ergebnis spricht für den Erfolg für das Forschungsprojekt: Es wurde ein Rotor-Wirkungsgrad von 45 % erreicht.

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