Projekt Hubflügelkraftwerk

Ziel des Projektes

Ziel des Projektes ist die Gewinnung von Energie aus der Strömung von fließenden Gewässern und Flüssen an Stellen, wo Gesichtspunkte des natürlichen Erhalts von Gewässern oder geologische Gründe gegen Staustufen und Talsperren sprechen.
Ausgenutzt wird ein aus dem Flugzeugbau bekannter Mechanismus, bei dem die gekoppelte Schlag- und Drehbewegung einer Tragfläche unter bestimmten Bedingungen dem umgebenden Luftstrom Leistung entzieht. Dieses technisch bedeutsame und gefährliche Flattern ist in der Luftfahrt ein unerwünschter Effekt. Die 1000-mal höhere Dichte von Wasser verstärkt die entnommene Leistung des Effektes, wird aber zugleich gemindert durch die viel niedrigeren Strömungsgeschwindigkeiten.
Die geometrische Anordnung einer quer im Flussbett liegenden Tragfläche kommt den natürlichen Gegebenheiten sehr entgegen. Das Hubflügelkraftwerk kann deshalb auch in größeren Einheiten gebaut werden. Anders als bei der herkömmlichen Gewinnung von Energie aus der Strömung mit langsam laufenden Schaufelrädern oder ähnlichen Flächen, die der Strömungswiderstand antreibt, nutzt der Hubflügel die hydrodynamische Querkraft aus, die bei Flugzeugen als Auftriebskraft bekannt ist und die einen deutlich höheren Wirkungsgrad liefert (dazu der Literaturhinweis am Ende der Seite). Die gleichzeitige Hubbewegung quer zur Strömung liefert als Produkt Kraft x Geschwindigkeit die mechanische Leistung. Für eine optimale Ausbeutung der in der Strömung enthaltenen kinetischen Energie sind zwei Voraussetzungen zu erfüllen:

•  Die Geschwindigkeit der Hubbewegung muss möglichst hoch sein. Bei Windkraftanlagen unterscheidet man Langsamläufer und Schnellläufer, wobei moderne, leistungsfähige Windkraftanlagen zum letzten Typ gehören. In ähnlicher Weise unterscheidet sich unser Konzept von herkömmlichen „Wassermühlen“.
 
• Die Hubbewegung muss möglichst linear verlaufen im Hinblick auf die beiden Anströmwinkel, die sich dynamisch aus der Hubbewegung gegenüber der Anströmung und geometrisch aus der Drehung des Profils ergeben.

Zur Abbildung: Die Abbildung zeigt das Modell des Hubflügelgenerators, mit dem wir unsere Experimente im Labormaßstab gemacht haben. Die Tragfläche hat die Abmessungen 0.04 x 0.2 m². Das stabil ausgelegte Oberteil ist auch noch für größere Tragflächen bis ca. 0.5 m Spannweite geeignet. Unser Wasserkanal hat einen Querschnitt von 0.12 x 0.2 m² und ist für eine Fließgeschwindigkeit von 2 m/s berechnet. Die Pumpe kann bis zu 3 m³/min fördern.

Wirtschaftliche Bewertung

Während Windkraftanlagen seit 1926 einen zunächst langsamen, dann in jüngster Zeit einen rasanten und noch vor 15 Jahren unvorstellbaren Aufstieg genommen haben, ist man bei der Hubflügeltechnik gerade zu Beginn der technischen Nutzung. Wir möchten uns gegenwärtig der Vorhersage enthalten, ob sich unser Konzept des Hubflügelgenerators wirtschaftlich durchsetzen wird und in welchem Umfang dies geschehen könnte – auch wenn dieser Erfolg unser Ziel ist. Im Rahmen unseres Projektes haben wir diesen Aspekt noch nicht weiter untersucht. Der Rückblick auf die Entwicklung der Windenergie zeigt jedoch, dass die einst als unwirtschaftlich abgedrängte Energieform sich zu einem blühenden Wirtschaftszweig entwickelt und neue Ideen in der konstruktiven Auslegung hervorgebracht hat, die noch zu Zeiten des umstrittenen GROWIAN Projektes (1977-1986) als abwegig galten.  Diese Entwicklung ist möglich gewesen, weil in verschiedenen Ländern die politischen Randbedingungen für diesen Erfolg bewusst gesetzt worden sind und ihn nach Kräften gefördert haben.

• Der politische Wille, neue regenerative Energiequellen erschließen zu wollen, macht die Auseinandersetzung mit unserem Hubflügelgenerator lohnenswert. Wir denken an die vielen wasserreichen Regionen in der Welt mit mäßigem Energiebedarf der Bevölkerung, in denen unser Konzept regenerativ dauerhafte Energiequellen erschließt.

Weitere Informationen

• Bilder und Folien vom Vortrag am 3. Mai 2001 in Göttingen (W. Send).

• Hingewiesen sei auf das Stingray Projekt britischer Kollegen, die nach dem gleichen physikalischen Prinzip einen solchen hydraulischen Hubflügel vor der britischen Küste in eine Meerenge mit starker Tidenströmung gesetzt haben.

IHC Engineering Business  - dort unter Stingray Project (der Link existiert nicht mehr)
Unsere technische Ausführung unterscheidet sich vom Stingray Projekt  durch die als Patent angemeldete "partiell lineare Kinematik" , die eine - praktisch erreichbare - erhöhte Leistungsausbeute um etwa 40 % ermöglicht.

Physikalische Hinweise

• Windkraft- und Wasserkraftanlagen (Energieanlagen in fließendem Gewässer) funktionieren aus physikalischer Sicht in vieler Hinsicht gleich und beruhen auf den gleichen Gesetzmäßigkeiten. Dargelegt sind diese Grundlagen in einem klassischen Werk:

In diesem Buch finden sich fundamentale Einsichten:

Bei gegebener Querschnittsfläche einer Energieanlage kann man theoretisch maximal 16/27 (59.3 %) der in diesem Querschnitt zuströmenden kinetischen Energie entnehmen. Diese Feststellung wird auch als Betzsches Gesetz bezeichnet.

Ergänzung: Die Querschnittsfläche ist bei Windkraftanlagen die Rotorfläche, beim Hubflügelgenerator die Fläche, die der Flügel bei seiner Hubbewegung quer zur Strömung überstreicht. Man gibt die Energie pro Zeiteinheit (Leistung) und bezogen auf den Querschnitt in kW/m² an. Moderne Windkraftanlagen im Inland liefern im Mittel über ein Jahr etwa 60 W/m², an einem Küstenstandort grob gerechnet etwa die doppelte Leistung 120 W/m². Die Ausbeute  liegt bei modernen Windkaftanlagen bei etwa 40 % gegenüber dem theoretischen Maximum von 59.3 %. Auf den einzelnen Flügel eines dreiblättrigen Rotors entfallen nominell 13.3 % entnommene Leistung.
Der Hubflügelgenerator HFG3 soll es an seinem Standort auf etwa 600 W/m² bringen. Von dem einzelnen Flügel wird ungefähr 1/8 der verfügbaren Energie in der Strömung als nutzbare mechanische Leistung (12.5 %) entnommen. Mehrere Flügel können dieses Ergebnis noch deutlich verbessern.

Bei einer Energieanlage können prinzipiell zwei Arten von Kräften genutzt werden:

• die Widerstandskraft, die die Strömung auf den Tragflügel (im einfachsten Fall eine ebene Platte mit Grundfläche quer zur Strömung) in Richtung der Anströmung ausübt (einfaches Wind- oder Wasserrad), oder
• die Querkraft, die die Strömung auf den Tragflügel (im einfachsten Fall eine ebene Platte mit der Grundfläche parallel zur Strömung, dann aber mit Anstellwinkel) quer zur Richtung der Anströmung ausübt (Windmühle, moderne Windkraftanlage oder der Hubflügel).


Ergänzung: Während die Querkraft die oben genannte maximale Ausbeute von 16/27 der zuströmenden Energie gestattet, sind dies bei der Widerstandskraft nur etwa 5/27. Bezugsgröße für die Leistung ist in beiden Fällen der Querschnitt der Zuströmung und die kinetische Energie 1/2 rho U² des anströmenden Fluids (Luft, Wasser) pro Volumeneinheit. "rho" ist die Dichte des Fluids in kg/m³, Udie Geschwindigkeit des anströmenden Fluids in m/s. Die entnehmbare Leistung selbst steigt mit der dritten Potenz U³ der Anströmung. Zitat von Betz:

"Man sieht aus dieser Überlegung, daß man bei Verwendung des Widerstandes anstelle des Auftriebes erheblich größere Flügelflächen braucht, um die gleiche Energie zu gewinnen. Dafür sind allerdings die Anforderungen bezüglich sorgfältiger Ausbildung der Form der Flügel geringer, so dass sich dadurch u.U. eine Verbilligung ergeben könnte. Wie aber bereits erwähnt, haben sich Windmühlen nach diesem Prinzip bis jetzt nicht einbürgern können, so daß man daraus schließen kann, daß sie den normalen Anordnungen wirtschaftlich unterlegen sind."

Letzte Bearbeitung 16.06.04