Aufwindkraftwerk (Modellbau)

  • Heyho Forengemeinde,


    ich möchte Euch kurz mein neues Projekt "Aufwindkraftwerk" vorstellen. Zum einen, weil ich euch so einen nerdigen Bastelkram einfach nicht vorenthalten will, zum anderen weil ich noch nicht ganz fertig damit bin und ggfs. noch Optimierungsvorschläge bekommen möchte. :nerd:


    Was ist das?

    Einfach gesprochen nutzt das Aufwindkraftwerk warme, in einem Kamin aufsteigende Luft mit welcher dann eine Turbine angetrieben wird, die dann (wie üblich) Strom erzeugt. Es gibt verschiedene Bauformen und viele Patente dieses Prinzips. Bei vielen nutzt man die einströmende Luft, unterhalb der Konstruktion, wo dann auch die entsprechenden Turbinen sitzen. Es gibt auch Konzepte, bei denen dann ganz oben eine Turbine gelagert ist und für so eines habe ich mich entschieden.


    Wie kommt man darauf?

    Ich habe dieses Prinzip vor einigen Jahren im TV gesehen und war sofort davon begeistert. Dabei ging es um eine grüne Energielösung für eine Stadt der Zukunft in Dubai (finde leider nichts dazu). Weil ich nun wieder Lust auf ein Bastelprojekt hatte, kam die Idee wieder auf und mit vielen Schaschlikspießen, die noch vorrätig waren, konnte ich dann auch gleich beginnen.



    Mein Modell

    Wie gerade erwähnt, benutze ich handelsübliche Holzspieße (ca. 20 cm) für das gesamte Gerüst, die mit *hust Ponal - Holzleim verklebt werden. Das Modell ist in 3 Module unterteilt und bisher ca. 90 cm hoch. Ganz unten ist die "Brennkammer" in welche 4 Teelichter gestellt werden. Die warme Luft steigt dann schnell nach oben in den Kamin, welcher (bisher nicht getestet) die Luft weiter beschleunigt und in das "Turbinen Modul" leitet. Dort wird nun ein Papp-Propeller angetrieben der dann, so meine Idee, eine "Radarantenne" in Drehung versetzt.


    Wie man sieht fehlt noch das gesamte "Fairing", was aus weißem und rotem Papier bestehen wird (entsprechend abwechselnd verteilt). Für meinen grundlegenden Funktionstest hatte ich nur die Brennkammer nötdürftig ummantelt, große Lücken habe ich offen gelassen, weswegen ich über das sehr gute Ergebnis mehr als überrascht war (habs mir 10 min lang grinsend angeguckt :D ).




    1. Bild zeigt den Testaufbau noch ohne Kamin (war noch nicht fertig)

    2. Modell mit Kamin (wie gesagt noch ohne Hülle)

    3. Propeller mit Platzhalter (zum testen der "Nutzlast")






    Meine Frage ist noch, ob es vielleicht noch effizientere Propellerarten gibt, die ich auch möglichst einfach nachbauen kann? Jetzt zig verschiedene Typen basteln und durchtesten möchte ich mir ersparen, denn die sind recht knifflig und nervig im Aufbau ^^

    Würde es Sinn machen, einen zweiten Propeller zu verbauen? Wenn ja, sollte er dieselbe Form haben, Abstand, Größe usw.?

  • Sieht super aus.

    Zum Propeller: Unter Umständen würde es sicher Sinn machen einen zweiten Propeller bzw. Turbinenkranz einzusetzen um noch mehr Energie rauszuholen. Frage ist da halt ob die zusätzlich entzogene Energie größer ist als der Energieverlust der durch das höhere Gewicht entsteht. Vor allem brauchst du dann zwischen den Rotoren einen Stator. Ansonsten entstehen nach dem ersten Rotor Verwirbelungen, welche beim zweiten Rotor zu Energieverlust führen (bei Großturbinen sind da die Kräfte so groß dass es den Rotor zerlegen würde, im Modell eher unwahrscheinlich).

    Das größte Potential für eine größere Energieausbeute sehe ich aber bei den Turbinenblättern selbst. Bie dir sind die gebogen und angewinkelt.

    Wenn die Blätter ein aerodynamisches Profil hätten dann wäre der Wirkungsgrad sicher größer. Aber das per Hand hinzubekommen wird schwierig. Vor allem bei so vielen Blättern. Hier wäre ein 3D-Drucker hilfreich. Dann wäre es auch möglich den gesamten Turbinenkranz aus einem Stück zu bauen (Gewicht). Alternativ könnte man einen Propeller aus dem Modellbau einsetzen. Die gibts mit 2, 3 oder 4 Blättern und sind jetzt nicht wirklich teuer.

  • Falls du bei deinem Projekt 3D Druck Unterstützung benötigst, so kann ich dir etwas über meine Firma anbieten.

    Was ich nicht machen möchte ist, dir mit den Simulationstools eine optimale Profilsehne auslegen und den gesamten Turbinenkranz zu entwerfen. Falls du aber da etwas hast oder einfach testen möchtest, lass es mich wissen.


    Wie Cheese es bereits geschrieben hat, ist ein Stator notwendig, bevor du ein zweiten Rotor aufbauen möchtest.

    Mehr Energie holst du aber raus, wenn du den Spalt an der Blattspitze reduzierst.


    P.S.: Der Vorteil vom 3D Druck wäre, dass der/ die Rotor/en leichter wären als die konfentionell zu kaufenden Props.

    Für den Triumph des Bösen reicht es, wenn das Gute nichts unternimmt.

  • Hey, tolles Projekt :thumbup:

    Da muss ich doch auch gleich meinen unqualifizierten Senf dazu geben. :D
    Einen zweiten Propeller würden dir die "Strömungsgesetze" abraten. Ich auch, da du im selben Strömungskanal nicht mehr Energie rausholen kannst. ;P


    Was man machen kann, zu dem kleineren Spalt, ist das Zentrum verjüngen. Also die Rotor-Mitte spitz oder ründlich umhüllen. Ach weis nicht wie ich das beschreiben soll, so hier mein ich: kaplan-turbine.jpg

  • In der Luftfahrt nennt man sowas Spinner, also die Verkleidung vor dem Propeller/Turbine.


    Aber @Max: Warum sollte man nicht mehr Energie aus dem Strom ziehen können? Die Luft strömt ja noch, hat also noch Energie, wenn auch nicht mehr so viel. Die Turbine in einem Strahltriebwerk funktioniert ja nach dem gleichen Prinzip und hier gibt es in der Regel mehr als eine Stufe. Der einzige Unterschied ist nur der wo die Luft herkommt bzw. durch was sie angetrieben wird. Gleiches bei einer Dampfturbine. Da gibt es auch mehr als einen Rotor.

    Wichtig ist hier halt nur ein Stator zwischen den Rotoren, was die ganze Sache natürlich deutlich komplizierter macht beim Bau.


    Allan hat natürlich recht mit dem Spalt zwischen Rotor und äußerer Verkleidung. Nicht nur dass durchd en Spalt Energie entweicht. Noch dazu hast du dort die gleichen Probleme wie bei einer herkömmlichen Tragfläche (funktioniert ja nach dem gleichen Prinzip): Verwirbelungen. Und die entziehen dir noch mehr Energie. Bei Tragflächen verhindert man das seitliche Abwandern des Luftstromes und dadurch Verwirbelungen durch z.B. Winglets. Bei einer Turbine verhindert man das durch einen möglichst kleinen Zwischenraum.

  • Aber @Max: Warum sollte man nicht mehr Energie aus dem Strom ziehen können? Die Luft strömt ja noch, hat also noch Energie, wenn auch nicht mehr so viel. Die Turbine in einem Strahltriebwerk funktioniert ja nach dem gleichen Prinzip und hier gibt es in der Regel mehr als eine Stufe.

    Das geht jetzt tief in die Strömungslehre und ich vermag das hier sicher nicht in einem Post einleuchtend darzulegen.

    Entscheidend ist der Druckunterschied zwischen ein und ausströmender Luft.

    Nur dieser Druckunterschied und natürlich die Strömungs-menge ist letztendlich für die Energie verantwortlich.

    Das Beispiel mit der Turbine hingt. Da die hintereinander liegenden Schaufeln zum Verdichten der Luft da sind.

    Besseres Beispiel wäre hier ein Wasserkraftwerk. Dort gibt es auch nur eine Turbine je Abhangsleitung.

    Das Hintereinanderlegen von Propellern macht wirklich nur dann Sinn, wenn man das Strömungsmedium verdichten will.


    Man könnte es auch einfach so sagen, legt man 2 gleiche Turbinen in Reihe in denselben Strömungskanal, teilt sich die Energie auf beide
    Turbinen gleichmäßig auf. (Weil sich der Druck zwichen den Turbienen halbiert)

    Dadurch hat man also nix an Energie dazu gewonnen. Wäre auch zu schön. :D

  • Das stimmt so nicht ganz und der Vergleich hinkt keineswegs. Bei einem Flugzeugtriebwerk dient die Turbine (umgangssprachlich wird fälschlicherweise oft das ganze Triebwerk oder auch der Verdichter als Turbine bezeichnet, tatsächlich macht die Turbine nur einen kleinen Teil im hinteren Bereich des Triebwerks aus) eben NICHT der Verdichtung. Was du meinst ist der Verdichter am vorderen Ende des Triebwerks. Die Turbine sitzt aber am hinteren Ende und entzieht der expandierten Luft (nach dem Verbrennen des Treibstoffes in der Brennkammer) Energie um diese über eine Welle auf den Verdichter zu übertragen, welcher damit angetrieben wird.

    Also im Endeffekt nichts anderes als das was Fliege baut.

    Ich gebe dir recht was den Druck angeht. Der läßt aber nur dann nach wenn sich der Luftstrom weiter, die Luft also mehr Platz hat und somit langsamer strömt.

    Bei Triebwerken vergrößern sich daher die Turbinenkränze nach hinten hin (im Gegensatz zum verdichter wo diese immer kleiner werden um die Luft zu komprimieren).


    Hier auch die Definition von Turbine, die zeigt dass diese nicht der Versichrung sondern dem abgreifen von Energie dient:


    Kraftmaschine, durch die die Energie von fließendem Wasser, Gas oder Dampf zur Erzeugung einer drehenden Bewegung ausgenutzt wird



    Außerdem kannst du eine Turbine in einem Wasserkraftwerk nicht mit dem in einem Triebwerk oder in einem Luftatmendem Triebwerk oder Aufwindkraftwerk vergleichen. Grund: Wasser verhält sich ganz anders als Luft denn Luft kann komprimiert werden.


    Allerdings muss ich dir eventuell auch Recht geben in Bezug auf das aufwindkraftwerk denn hier wird die Luft ja nicht komprimiert, sie bleibt bei einem Druckverhältnis von 1:1. Aber: die Luft im Kanal wird ja nicht weniger und der Durchmesser nicht größer. Daher strömt die Luft weiterhin mit der gleichen Geschwindigkeit und dem gleichen Druck.

    Energie ist also noch da nur wird mit jedem Schaufelkranz die Bewegte Masse größer und somit die Ausbeute an Energie kleiner.

  • Würde dann aber nicht das 2. Schaufelrad das erste eher abbremsen?

    Dadurch das dort ja weniger Strömungsenergie an kommt, dreht es ja wahrscheinlich auch langsamer. Wenn also beide auf einer Welle sitzen, wird man da wohl eher keinen Vorteil raus holen können.

    Ausser man legt die Schaufeln für das 2. Rad eben dafür aus. Was aber wohl als "Heimentwickler" nicht so einfach sein wird.


    Ich würde eher versuchen die Strömungsgeschwindigkeit oder die Luftmasse zu erhöhen. Also entweder unten größer werden, damit mehr Luft in den Kanal kommt, oder oben etwas kleiner werden für mehr Strömung.

  • Danke für eure tollen Antworten, damit werde ich was anfangen!


    Cheesecake

    Das ein zweiter Propeller ja auch das Gewicht erhöht und somit ggfs die Effizients auffrisst, war mir zwar bewusst, hatte es aber gar nicht auf dem Schirm - Danke sehr! ;)

    Das mit der Aerodynamik habe ich sogar berücksichtigt und versucht jedes Flügelblatt um einen Stift zu wölben - so ganz optimal ist es aber nicht geworden...


    Allan Sche Sar

    Dein Angebot ist wirklich klasse und nichts hätte ich lieber, als einen perfekten 3D-print-Prop, aber da ich mir das nicht gerade preisgünstig vorstelle und ich vor allem meine bisherigen Ausgaben von 0,00 € nicht überschreiten will, muss ich das leider ablehnen.

    Für ein (vielleicht) späteres Projekt "Wirbelstromkraftwerk", würde ich aber gerne darauf zurückkommen.


    Mr. Maxwell

    Ich werde mich erstmal für deine "Spinner Idee" entscheiden, da ich das wohl am leichtesten und schnellsten nachbauen kann. Ich denke auch das hier der nutzen für mein kleines Projekt am größten ist, als jetzt z.B. einen eher komplizierten Stator und zweiten Prop zu verbauen.




    Eure Antworten haben auch wieder Fragen aufgeworfen:


    - Ihr habt jetzt die Anzahl und Form der Flügel angesprochen - OK, eine aerodynamischere Form leuchtet mir ein, aber macht denn die Anzahl auch nen Unterschied? Bei meiner Bauweise würde das am Gewicht nur wenig ändern, deswegen frage ich.

    - Was würden breitere Flügel bringen? (Dafür würde ich den Prop wieder so bauen, aber mit weniger Blättern und dann nachträglich jedes einzelne Blatt verbreitern)

    - Was für eine Rolle spielt die Länge der Flügel oder wie groß soll der innere Durchmesser sein, "wo dann die Flügel anfangen"?



    PS:

    Gestern habe ich die Brennkammer verkleidet und wenns klappt, mache ich heute den Kamin. Ich hoffe ja, dass dieser und die bessere Hülle dann schon deutlich mehr Leistung bringen. Das Ding mit Papier zu verkleiden macht aber gelinde gesagt, eher wenig Freude - ein Dreieck ausmessen, grob zurechtschneiden, anhalten, Überschuss markieren, begradigen und dann verkleben - das ganze dann 28 mal (+ 2 Fehler)...

    Vielleicht sollte ich an dieser Stelle noch anmerken, dass es mir gar nicht so sehr um hohe Drehzahlen, sondern eigentlich mehr um die Kraft geht. Am Ende soll das Ganze einen Radarturm darstellen, der eben mit der "magischen Strömungskraft" betrieben wird. Daher auch die Farben rot/weiß. Ich hoffe das enttäuscht euch jetzt nicht - einen "Maximale-Drehzahl-Test" werde ich definitiv durchführen, wobei ich dann schon wieder an das Lager des Props denken muss, an die Schwingungen bei den hohen Drehzahlen usw... :D

  • Würde dann aber nicht das 2. Schaufelrad das erste eher abbremsen?

    Dadurch das dort ja weniger Strömungsenergie an kommt, dreht es ja wahrscheinlich auch langsamer. Wenn also beide auf einer Welle sitzen, wird man da wohl eher keinen Vorteil raus holen können.

    Ausser man legt die Schaufeln für das 2. Rad eben dafür aus. Was aber wohl als "Heimentwickler" nicht so einfach sein wird.

    Das stimmt so wenn der 2. Kranz exakt gleich wäre zum 1. Kranz. In einer Turbine ist der zweite Kranz aber immer größer als der erste usw. Nach der Expansion in der Brennkammer entspannt sich die Luft ja wieder. Sie dehnt sich aus. Würde man den Auslass hier nicht verbreitern würde sich die Ausströmgeschwindigkeit deutlich erhöhen, der Druck aber sinken (Je höher die Strömungsgeschwindigkeit desto kleiner der Druck). Also wird der Querschnitt vergrößert um einen annähernd gleichen Druck zu gewährleisten. Das ist aber nur annähernd möglich. daher werden die Kränze anch hinten hin größer.

    Hier mal ein Querschnitt :

    https://www.heureka-stories.de…e_036_25012018_104735.png


    Auch wenn es sich hicr um das Beispiel eines Dreiwellentriebwerk handelt, das eigentliche Prinzip ist identisch. Einfach annehmen dass es auf einer Welle sitzt.

  • Mein Vorschlag war ja den zweiten Rotor weg zu lassen, weil es wirklich gar nix bringt.

    Das wird aber schwierig, dass mit den anderen Meinungen zusammenzubringen. :D


    Aber probieren geht über studieren, es ist also der beste Weg das selbst zu erforschen. :thumbup:

  • ODER - noch mehr Kerzen! :evil:



    Warum bauen wir nicht alle ein Modell und vergleichen sie dann zum Schluss...? ;P

    Mehr Kerzen würde zu einer höheren Strömung führen, aber du brauchst eher mehr und langsame Luft als weniger und schnelle Luft.


    Stell das Teil mal testweise auf eine schwarze Fläche in die Sonne oder Fußbodenheizung.