Praktikumsarbeiten im Labor für Mikroskopie

Das Forschungsprojekt "OptiBine"

Das Forschungsprojekt Optimierte langsamlaufende Windturbine (kurz: OptiBine) beschäftigte sich zwischen 2012 - 2015 mit dem Thema der Kleinwindenergie. Es war im Studiengang Kunststoff- und Elastomertechnik der damaligen Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt (heute: Technische Hochschule Würzburg-Schweinfurt) angesiedelt. OptiBine wurde gefördert durch das bayerische Staatsministerium für Bildung und Kultus, Wissenschaft und Kunst. Initiator und Leiter des Projekts war Prof. Walter Baur (mittlerweile emeritiert).

Moderne Windenergieanlagen haben Rotordurchmesser von bis zu 126 m und eine Leistung von über 7 MW. Eine solche Leistung reicht aus, um durchschnittlich 4.300 Einfamilienhäuser mit Strom zu versorgen. Neben diesen gigantischen Stromerzeugern gibt es aber auch kleine dreiblättrige Anlagen, die für private Haushalte ausgelegt sind. Diese Kleinwindenergieanlagen (KWEA) besitzen meist Durchmesser von wenigen Metern und haben eine Leistung von einigen kW bis max. 100 kW.

Diese dreiblättrige Art der KWEA hat aber insofern Nachteile, als dass sie mit sehr hohen Drehzahlen arbeiten müssen, um die Energie des Windes zu ernten. Dadurch erzeugen diese Schnellläufer genannten Anlagen Geräusche, die insbesondere in Wohnsiedlungen stören können. Ebenso kann deren Schattenwurf als unangenehm empfunden werden. Dass die Schnellläufer erst bei relativ hohen Windgeschwindigkeiten anlaufen, ist für deren Verwendung als Energiewandler für die windarme, bebaute Wohngegend ebenfalls unzweckmäßig.

Ziel von OptiBine war es deshalb einen Rotor zu entwickeln, der ohne die oben beschriebenen Nachteile arbeitet. Dabei sollte auf eine bekannte Bauform zurückgegriffen werden: die „Western-Windmühle“. Diese, mit etwa 30 Metall-Rotorblättern bestückten und im Durchmesser wenige Meter großen Windmühlen, wurden Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt und haben die Eroberung des Westens Nordamerikas mit vorangetrieben. Und auch heute werden sie noch weltweit als Antriebe für Wasserpumpen eingesetzt. Aufgrund der hohen Anzahl an Rotorblättern haben sie eine deutlich geringere Drehzahl und werden deshalb als Langsamläufer bezeichnet.

Sie gelten in der modernen Windindustrie im Vergleich zu den dreiblättrigen Anlagen als deutlich weniger effizient, was aufgrund der über 150 Jahre alten Konstruktion aber auch nicht sonderlich verwundert. Zusammen mit Studierenden ist es bei OptiBine gelungen, den Wirkungsgrad dieses Langsamläufers zu verbessern und dem der modernen dreiblättrigen Anlagen anzunähern. Hierfür wurden mit faserverstärkten Kunststoffen modernste Werkstoffe eingesetzt. Ebenso fanden Computersimulationen wie Finite Elemente Methode und numerische Strömungsmechanik Anwendung, um Festigkeit und Aerodynamik der Rotorblätter zu optimieren.

Die Messungen zur Bestimmung des Wirkungsgrads wurden in einem „fahrenden Windkanal“ durchgeführt. Dazu wurde der gefertigte Langsamläufer auf einen Waggon der Mainschleifenbahn montiert, deren Fahrtgeschwindigkeit den anströmenden Wind simulierte.

Kontakte

Prof. em. Walter Baur

Stefan Frosch

Bildergalerie

Testfahrt mit der Mainschleifenbahn als „fahrender Windkanal“, Foto: S. Frosch
Testfahrt mit der Mainschleifenbahn als „fahrender Windkanal“, Foto: S. Frosch
Schweißarbeiten zur Erstellung des Versuchsaufbaus, Foto: S. Frosch
Schweißarbeiten zur Erstellung des Versuchsaufbaus, Foto: S. Frosch
Der entwickelte Rotor ist auf einen Waggon der Mainschleifenbahn montiert, Foto: S. Frosch
Der entwickelte Rotor ist auf einen Waggon der Mainschleifenbahn montiert, Foto: S. Frosch
Frontansicht des gefertigten Langsamläufers, montiert auf einen Waggon der Mainschleifenbahn, Foto: S. Frosch
Frontansicht des gefertigten Langsamläufers, montiert auf einen Waggon der Mainschleifenbahn, Foto: S. Frosch
Simulation der Nachlaufströmung des entwickelten Langsamläufers, Foto: S. Frosch
Simulation der Nachlaufströmung des entwickelten Langsamläufers, Foto: S. Frosch