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Entwicklung neuartiger effizienter Vertikalachs-Windkraftanlagen bis 100 kW Leistung

VAWinT 100

Projektart:
ZIM (Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand)
Wissenschaftlicher Mitarbeiter:
Dipl.-Ing. Iria Álvarez (bis Februar 2016),
Christopher Felix, B. Eng. (ab März 2016)
Fachgruppe:
Ingenieurwissenschaften
Laufzeit:
05.01.2015 bis 31.07.2017
Kooperationspartner:
STM Montage GmbH

In Zeiten von hohen Energiepreisen, knapper Ressourcen und wachsendem Umweltbewusstsein sind regenerative Energiequellen zu einem festen Bestandteil in der nationalen und internationalen Energieversorgung geworden. Windenergie im Speziellen stellt den größten alternativen Energieträger in Deutschland dar: Bis 2050 soll sie Experten zufolge die wichtigste Rolle im Energiemix einnehmen, da Wind eine der wenigen Energieformen darstellt, die auch in Deutschland in ausreichendem Maße zur Verfügung steht.

Wind- und Sonnenenergie ist die Energie der Zukunft
Wind- und Sonnenenergie ist die Energie der Zukunft

Der heutige Windenergiemarkt wird von Horizontalachswindkraftanlagen (im Folgenden auch HAWA genannt) dominiert. Die neu gebauten Anlagen erreichen mittlerweile mehrere Megawatt Leistung. Anlagen dieser Art haben jedoch erhöhte Anforderungen an ihren Standort und sind deshalb oft nur in größeren Windparks und exponierten Lagen anzutreffen.

Klein- und Mittelwindkraftanlagen sind heute zwar in ihrer Bedeutung schon deutlich gestiegen, kommen dennoch aber noch viel zu wenig zum Einsatz. Derzeit gibt es im gesamten Bundesgebiet schätzungsweise ca. 10.000 Kleinwindkraftanlagen. Genaue Zahlen liegen leider nicht vor, da die Installationen von Kleinwindkraftanlagen in Deutschland statistisch derzeit nicht erfasst werden.

Insbesondere die derzeit in den Leistungsklassen 1 und 2 eingesetzten Vertikalachswindenergieanlagen (Vertical-Axis Wind Turbines, im Folgenden kurz VAWinT genannt) fristen bislang ein Schattendasein. Trotz großer Vorteile gegenüber den HAWA, wie unter anderem:

  1. Windrichtungsunabhängigkeit;
  2. geringere Bauhöhe;
  3. niedrigere Wartungskosten aufgrund besserer Erreichbarkeit der wartungsintensiven Komponenten Rotor, Generator und später des neu entwickelten Entkopplers;
  4. insgesamt geringere Ansprüche an ihren Standort. So sind sie auch an Standorten mit größeren Windturbulenzen einsetzbar.
Viele noch verfügbare Flächen sind zum Aufstellen von Horizontalachsanlagen ungeeignet und geben damit der Errichtung von vertikalachsigen Anlagen neuen "Aufwind".

Probleme mit der Schwingungsanfälligkeit und der Stabilität der gesamten VAWinT sind jedoch derzeit noch das zentrale Thema im Zusammenhang mit der Einsatzakzeptanz.

VAWAT mit H-Darrieus Rotor
VAWAT mit H-Darrieus Rotor

Im Rahmen dieses FuE-Projektes werden diese Probleme einer anwender- und marktgerechten Lösung zugeführt.

Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf dem Einsatz des H-Darrieus Rotors (vgl. Abbildung). Als Tragwerke sollen effiziente Gittertürme in Stahlwinkel- oder Stahlrohrkonstruktionen zur Ausführung kommen. Während die Entwicklungen im Bereich der Maschinen- und Anlagentechnik gut vorangekommen sind, stellt die Konstruktion von effizienten und wirtschaftlichen Tragwerken für VAWinT noch ein Problem dar.

Neben der Entwicklung eines optimierten H-Darrieus Rotors wird sich dieses FuE-Kooperationsprojekt mit der Entwicklung und notwendigen Neukonstruktion von zwei weiteren VAWinT-Modulen beschäftigen:

1) eines Entkopplungssystems, das zwischen Rotor und der Tragstruktur (Turm) geschaltet wird, um die Schwingungen des Rotors abzudämpfen und
2) einer neuen Tragwerkkonstruktion.

Im Rahmen des VAWinT-100-Projektes soll eine schwingungsgedämpfte Trag- und Antriebs­konstruktion für mittelgroße vertikalachsige Windkraftanlagen im Leistungsbereich 50 bis 100 kW entwickelt werden.

Die beabsichtigten Entwicklungsarbeiten für den Rotor und die Tragkonstruktion in Stahlgittermaststruktur sollen folgende Eigenschaften aufweisen:

  • Erhöhung des Leistungsbeiwertes (Erntegrad) des Rotors um angestrebte 5% auf cp = 0,45 durch ein neues Rotorblattdesign und verbesserte strömungstechnische Windausbeute bzw. -nutzung
  • Minimierung der Schwingungserregung durch veränderte Rotorkonstruktion
  • Optimale Schwingungsdämpfung durch Entkopplung des Rotors von der Mastkonstruktion
  • Reduzierung der Geräuschentwicklung durch Optimierung der Windströme und -verwirbelungen, insbesondere im Rotorbereich
  • Geringes Eigengewicht der Rotor- und Gesamtkonstruktion der Windkraftanlage VAWinT 50, ggf. auch durch den Einsatz neuer Materialien bzw. Werkstoffe;
  • Angestrebt werden für das Modul Rotor einschl. Generator max. 5000 kg und für die Gesamtkonstruktion Gittermast, Entkoppler und Rotor ein Maximalgewicht von ca. 16,50 t.
  • Einfache Montage u.a. durch einen klaren modularen Aufbau
  • Geringer Wartungsaufwand durch die im Vergleich zu HAWA wesentlich geringere Bauhöhe
  • Ansprechendes, landschaftsfreundliches Design
Die bbw Hochschule gestaltet aktiv die Energiewende mit und unterstützt Unternehmen bei der Entwicklung innovativer Produkte.

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