Neues Design von Solarkollektoren und Windturbinen
Es ist der Versuch, die Nutzungsform von Wind- und Solarenergie aus einer neuen Perspektive zu sehen. Das erklärte Ziel ist es, im kleintechnischen Anwendungsbereich eine autarke Energieversorgung von Strom und Wärme zu erreichen. Hausdächer, zum Beispiel, sind ideale Flächen zur Energienutzung.
Durch den Einsatz von neuartigenWindkraftkonstruktionen und solarthermischen Kollektoren kann eine ausreichende Strom- und Wärmeversorgung sichergestellt werden. Für die Umsetzung solcher Energie- konzepte eignen sich besonders Ein- und Mehrfamilienhäuser. Die Dächer von diesen Gebäuden bieten der Solarthermie genügend Nutzungsfläche zur Gewinnung von Brauch- und Heizwärme für Wohnungen. Ein weiterer Vorteil ist bei einem Haus mit Sattel- oder Schrägdach die optimale Höhe des Giebels. Die Installation von Kleinwindanlagen kann strömungstechnisch energieeffizient genutzt werden. Diese zentrale Versorgungsform von Strom und Wärme bedeutet im hohen Maße Unabhängigkeit von gewissen Monopolversorgungsstrukturen bestimmter Energieversorgungsunternehmen. Zuständig für das Grafikdesign ist das Ingenieurbüro Rolf Kindel (Kindel-Design) Anfragen von interessierten Firmen werden gern beantwortet. Alle dargestellten Abbildungen und Grafiken sind urheberrechtlich geschützt (Copyright 2012). Es folgt eine Übersicht und Beschreibung der innovativen Windturbinen und Sonnenkollektoren. Die Darstellungen sind rein konzepionelle Überlegungen.
Fresnelkollektor
Der Fresnelkollektor gehört zu den linearkonzentrierenden Kollektortypen. Die Bauart verbindet die Konstruktionsprinzipien vom Parabolrinnenkollektor und Solarturmkonzept miteinander.
Es handelt sich hier um eine solarthermische Konstruktion, bei der flache Glasspiegel anstelle parabolisch geformter Spiegeloberflächen verwendet werden.
Alle Flachspiegel sind als parallele Spiegelreihen (Spiegelfeld) in einem bestimmten Reflexionswinkel zum Receiver ausgerichtet. Die technische Besonderheit bei der Solarkonstruktion ist, dass alle Flachspiegel auf dem Chassis fest installiert sind. Kein Reflektor wird einzeln nachgeführt. Trotzdem bleibt beim Drehen des Spiegelfeldes eine dauerhafte Fokussierung auf die Brennlinie der Absorberrohre erhalten.
Erreicht wird der physikalische Vorgang dadurch, dass die Spiegelreihen in Längstrichtung zur Sonne ausgerichtet sind. Durch das stetige Nachführen des Kollektors bleibt die Ausrichtung des Reflexionswinkel jeden einzelnen Spiegels auf den Solarabsorber konstant. Nach der Formel:
Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel reflektiert jeder einzelne Spiegel das Sonnenlicht ständig auf den Receiver.
Die Konzentration der Sonnenstrahlung auf die Absorberrohre kann durch Benutzung eines
Sekundärreflektors am Receiver zusätzlich erhöht werden. Der Fresnelkollektor sitzt auf einem Drehgestell. Die Drehvorrichtung ist mit der Drehanlage des Parabolrinnenkollektors bautechnisch gleich.
Vorteile des Kollektortyps sind:
-einfach und kostengünstig zu produzierende Reflektoren;
-einfache Montage;
-stationärer Receiver;
-geringe Windlasten;
-keine Reflexionsverschattung;
-hoher Flächennutzungsgrad:
Parabolrinnenkollektor
Die solarthermische Konstruktion besteht aus einem kreisrunden, drehbaren Parabol- linearfokussierenden Kollektortyp. In der Mitte jeder einzelnen Parabolrinne sind längliche Absorberrohre angeordnet, die parallel im Bereich der Fokallinie verlaufen. Das einfallende Sonnenlicht wird von den parabolisch geformten Hohlspiegel -- in Form einer Brennlinie -- auf die Absorber- oberfläche der Rohre konzentriert. Als Wärmeträgermedium dient Wasser. Die Absorber- rohre stellen aufgrund der runden Konstruktion des Solarkollektors zwei symetrisch, geschlossene Wärmekreisläufe dar. Der Zu- und Ablauf des Wassers wird über eine flexible, mechanische Vorrichtung, die unterhalb des Kollektors zentrisch moniert ist, vom Kollektor zum Verbraucher und umgekehrt gesteuert. Die runde solarthermische Anlage lagert auf einem Drehgestell. Die Kollektornachführung erfolgt einachsig. Sie wird von einem mittig sitzenden Nachführmotor unter dem Kollektor geregelt. Alle Hohlspiegel und Solarabsorber der Anlage sind auf einem Chassis festinstalliert, d.h. es muß nicht jeder Reflektor einzeln nachgeführt werden. Die stationäre, vertikale Ausrichtung aller Parabol- rinnen zur Sonne -- beim einachsigen Drehen der Hohlspiegel -- ermöglicht eine dauerhafte lineare Fokussierung der Solarstrahlung auf die Absorberober- fläche. Vorteile des Parbolrinnenkollektors sind : --einfach und kostengünstig zu produzierendeReflektoren; --einfache Montage; --stationärer Absorber; --geringe Windlasten; --keine Reflexionsverschattung; --hoher Flächennutzungsgrad; --hohes Temperaturniveau;
Mantelwindturbine
Es handelt sich hier um eine horizontale Windkraftkonstruktion, in der der sechflügelige Rotorkörper von einem aerodynamisch geformten Ringgehäuse umgeben ist. Die kreisrunde Ummantelung des Rotors hat die Funktion,Windturbulenzen zu glätten und den Strömungswirbel leistungsmäßig zu intensivieren. Erreicht wird dieses Ziel durch die aerodynamische Formgebung des Rotorkörpers und deren Ummantelung.Die Rotorkonstruktion hat die Form eines länglichen Zylinders mit strömungstechnischer Profilierung an der Vorder - und Rückseite des Körpers. Die sechs Rotorflügel sind hintereinander in einem Winkel von 60 Grad kreisrund auf der horizontal drehenden Rotorwelle versetzt angeordnet. In Verbindung mit dem Gehäuse und Rotor bildet die Turbine in ihrer Komplexität einen Durchströmungskanal. Der Luftstrom wird massiv beschleunigt. Wirksam wird der aerodynamische Vorgang dadurch, dass die sechs Rotorblätter nicht auf einer gemeinsamen Rotorebene ausgerichtet sind. Eine frontale Anströmung der Flügel wird vermieden. Erst die versetzte Flügelanordnung ermöglicht einen höheren Durchsatz der Luftmassen. Die Konsequenz ist eine deutliche leistungsintensivierung. Um eine Unwucht im Drehverhalten des Rotos zu verhindern,sind die Flügel mit Gegengewichten versehen. Die Kontergewichte erzeugen bei der Rotation eine zunehmende, dynamische Kraftreserve.Bei schwanken- den Windverhältnissen wird die Drehzahl des Rotors konstant gegehalten. Durch Veränderung der Gehäuseform kann die Leistung der Windturbine nachträglich massiv gesteigert werden. Die leistungsintensivste Windkraftkonstruktion ist eine aerodynamische Profilierung der Turbine. Sie besteht aus einem doppelten, trichterförmigen Ringgehäuse im Ein-und Aussrömbereich. Die zunehnmende Querschnittsveränderung verursacht auf der Einströmseite eine Beschleunigung des Luftstromes. Dazu trägt auch die konvexe Ausformung der Abströmseite der Turbine bei. Es wird ein Unterdruck generiert, der die Luft schneller und turbulenzfrei an die Umgebungsluft abströmen läßt.
Es gibt noch weitere vereinfachte, ummantelte Windkraftkonstruktionen
1. Einfaches zylindrisches Gehäuse mit einem vergrößerten, ringförmigen Aufsatz im leeseitigen Bereich der Turbine.
2. Einfaches zylindrisches Gehäuse mit einem vergrößerten, konvex geformten Aufsatz im leeseitigen Bereich der Turbine.
3. Einfaches zylindrisches Gehäuse mit einem vergrößertem, konkavgeformten Aufsatz im leeseitigen Bereich der Turbine
Die drei verschiedenen Aufsätze haben die Funktion, die Luftwirbel beim Abströmen aus der Turbine in die Umgebungsluft zu glätten. Turbulenzen werden so in Grenzen gehalten. Eine weitere konstruktive Variante ist die Aneinanderreihung von drei baugleichen Turbinen. Diese Anordnung kommt dann zum Tragen, wenn aus ästhetischen (optischen) Gründen eine Rotorvergrößerung auf einem Hausdach nicht infrage kommt. Die Anlage sitzt auf einem Drehgestell. Aus Kostengründen besteht auch die Möglichkeit, auf die Ummantelung komplett zu verzichten. Der Leistungswirkungsgrad des hier dargestellten Sechsblatt- rotors (ohne Ummantelung) ist im Verhältnis zum frontalangeströmten Rotor wesentlich höher. Zum Einsatz kommen die dargestellten Windturbinen auf Hausdächern.
