TwinConverter 2.30

BURG GIEBICHENSTEIN Hochschule für Kunst und Design Halle
Diplomarbeit Henning Griebel, Juni 2006
Gutachter: Prof. Frithjof Meinel
Dipl.-Des. Detlef Lewandowski
Dipl.-Kulturwissenschaftler M. Suckow
Thema des praktischen Teils der Diplomarbeit:
“Gestaltung vertikaler Windkraftanlagen größerer Leistung
für ländliche Gebiete“.
TwinConverter 2.30
1.0
Einleitung:
Die Konzeption dieser VWKA (Vertikale Windkraftanlage) orientiert sich an den Bedürfnissen
der Betreiber in ländlichen Gebieten. In Deutschland sind dies im Wesentlichen Privathaushalte, Gartenbau- und Landwirtschaftsbetriebe.
Die Konzeption der hier vorgestellten Anlage stellt eine Alternative zu den fast ausnahmslos
vorhandenen horizontalen WKA im MW-Bereich dar. Sie ist wesentlich kleiner und damit im
Landschaftsbild unauffälliger. Der Vertikalrotor arbeitet systembedingt geräuschärmer als ein
konventioneller Horizontalrotor. Im Inselbetrieb ist sie dennoch in der Lage, landwirtschaftliche Betriebe mit ausreichend Energie zu versorgen.
Das modulare Konzept dieser VWKA ermöglicht eine Leistungsreduzierung zur Anpassung an
die Bedürfnisse privater Haushalte mit weit geringerem Energiebedarf, der im Vergleich zu
landwirtschaftlichen Unternehmen um den Faktor 10 kleiner sein kann.
2.0
Aufbau der VWKA:
2.1
Technische Daten:
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2.2
Maximale Masthöhe
(Führungsbahnbereich):
38
Rotorflügeldimension (H x T):
7x1
Rotordurchmesser:
9
Nennleistung/Rotorsystem:
bei Windgeschw. 12m s-1
30
Generatortyp:
Synchrongenerator
Anstellwinkel der Rotorflügel:
0° - 360
Ø-Gewicht Mastsegment:
ca. 1.500
m
m
m
kW
°
kg
Modularität:
Der Mast ist in 5 Meter hohe Segmente aufgeteilt und es können max. zwei Rotorgondeln
montiert werden. Mastfuß, Seilumlenkung und die obere Plattform sind für Anlagen jeder
Höhe bzw. Nennleistung gleich. Das Baukastensystem ermöglicht kleinere Varianten.
Die Masthöhe kann an den (Wind)standort angepasst werden. Entsprechend ist es möglich die
Anlage mit ein oder zwei Rotoren auszustatten. Eine Wirtschaftlichkeitsrechnung muss letztlich darüber Aufschluss geben, welche Variante für den jeweiligen Standort und Energiebedarf die günstigste ist.
2.3
Baugruppenübersicht:
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Mast, aufgeteilt in 5m-Segmente. Querschnitt des Zentralrohres nach oben verjüngt.
Seilwinden im Mastfuß zur Höhenstellung der Rotorgondeln.
Seilumlenkung am oberen Ende des Mastes.
Montageplattform am oberen Ende des Mastes zur Anbringung von
Funkantennen, Solarkollektoren u.ä.
2 Stck. Rotorgondel.
Messrahmen, je 1x/Rotor, jeweils bestückt mit drei Anemometern/Windfahnen.
3.0
Baugruppenbeschreibung:
3.1
Mast:
Der Mast ist eine Stahl-Schweißkonstruktion und besitzt einen durchgehend drei eckigen Querschnitt. Die Mastsegmente besitzen an beiden Enden je einen Montageflansch, über den sie
sich miteinander verbinden lassen.
Jedes Mastsegment besitzt an den Ecken ein Rundrohr, welches jeweils mit drei Führungsbahnen und zwei Seilführungen bestückt ist. Die Rohre ihrerseits sind über Stegbleche mit
dem inneren Dreieckrohr verbunden. Zur Gewichtseinsparung werden aus den Stegblechen
Löcher ausgelasert. Das zentrale Dreieckrohr jedes Segmentes verjüngt sich nach oben hin.
Die Stege werden entsprechend breiter. Durch diese Konstruktion werden die Mastsegmente
nach oben hin leichter und sind demzufolge in der entsprechenden Reihenfolge zu montieren.
Der Mastfuß beherbergt die beiden Seilwinden, mit denen sich die Rotorgondeln jeweils
unabhängig auf eine gewünschte Höhe bringen lassen.
3.2
Seilumlenkung:
Die Seilumlenkung wird am oberen Mastende montiert. Sie besitzt insgesamt drei Rollenpaare
pro Rotor. Die Umlenkung ist vorgesehen, um die Stahlseile zum Hochziehen/Absenken der
Rotoren wieder nach unten in den Mastfuß zu führen. Dies erfordert zwar größeren Seillängen,
ermöglicht jedoch die Anordnung der Seilwinden im Mastfuß, wo sie weit besser für Inspektion
und Wartung zugänglich sind.
3.3
Montageplattform:
Stahl-Schweißkonstruktion. Aus Gewichtsgründen als Gräting ausgeführt. Wird über Montagefüße auf das Gehäuse der Seilumlenkung montiert. Die Anbringung dieser Plattform ist nicht
zwingend erforderlich, sondern kann optional geschehen, wenn die VWKA auch z.B. als Sendemast genutzt werden soll oder der Eigenenergiebedarf der VWKA mit Hilfe dort montierter
Solarkollektoren reduziert werden soll.
3.4
Rotorgondel:
Die Gondel ist über einen Laufwagen auf dem Mast geführt. Dieser Wagen ist eine StahlSchweißkonstruktion zur Aufnahme aller für den Rotorbetrieb notwendigen Systeme.
Der Wagen bzw. die Gondel hängt an drei Stahlseilen, mit der sie in der bereits beschriebenen Weise auf eine gewünschte Höhe gebracht werden kann.
Innerhalb der Rotorgondel befinden sich der Laufwagen mit:
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Generator
•
Rotorlagerung oben/unten. (Jeweils Ringlager)
•
Scheibenbremse
•
Berührungslose Stromabnahme zur Versorgung der
Rotorsteuerung
Flügel-Stellmotoren
Scheibenbremse
(Bremse elektrisch gelüftet. Fällt im stromlosen Zustand ein).
Haltebremse zur Arretierung des Laufwagens auf den
Führungsschienen nach erreichen der Betriebshöhenposition.
(Bremse elektrisch gelüftet. Fällt im stromlosen Zustand ein).
Die Gondel besitzt aus Gewichtsgründen jeweils oben und unten eine segmentierte Abdeckung
aus GFK-Verbundwerkstoff. Die Flügelausleger und die Flügel selbst sind ebenfalls aus GFKVerbund gefertigt. In die Montageenden der Flügelausleger sind Adaptionsteile aus hochfestem
nichtrostendem Stahl einlaminiert. In eine ebenfalls einlaminierten Ringaufnahme aus Aluminium wird der Synchronmotor zur Verstellung der Rotorflügel montiert.
Während eines Umlaufs variiert die Winkelstellung des Flügels. Auf der dem Wind zugewandten
Seite befindet er sich in einer dem Steigflug eines Flugzeugs entsprechenden Position. Auf
der dem Wind abgewandten Seite befindet sich der Flügel entsprechend im “Sinkflug“.
Auf diese Weise wird nahezu während des gesamten Rotorumlaufs ein aus der Aerodynamik
entstehendes Antriebsmoment erzeugt.
Dieser Wirkbereich ist bei feststehenden Flügeln wesentlich kleiner. Da sie bei drehendem
Rotor nicht immer optimal im Wind stehen können beschränkt sich die Umsetzung des aerodynamischen Auftriebs in Drehmoment auf maximal ein Viertel eines Flügelumlaufs.
3.5
Messrahmen:
Jede Rotorgondel besitzt einen eigenen „Messrahmen“. Diese Wortschöpfung bezeichnet
einen Stahlrahmen, der an den Zugseilen der jeweiligen Gondel befestigt ist und so mit ihr in
einem immer gleichen Abstand mitgeführt wird. Der Rahmen ist in Form eines Dreiecks um
den Mast herumgezogen. An jeder Rahmenspitze ist ein Anemometer mit Windfahne angebracht.
Durch annähernd gleiche Anzeige zweier Windfahnen wird festgestellt, welcher Windmesser
sich gerade im Windschatten des Mastes befindet, sodass immer wenigstens zwei im Wind
stehende Anemometer Messwerte liefern können, welche per Funk zur Auswertung an die
Rotorsteuerung übergeben werden.