Projektbeispiel: AGILE | ZHAW School of Engineering

Eine Windturbine bis zur Perfektion optimieren

Die Firma AGILE WIND POWER AG entwickelt eine neuartige Windkraftanlage zur Stromerzeugung. Platzsparend, geräuschlos sowie vogelfreundlich soll sie sein und gegenüber herkömmlichen Windturbinen Vorteile hinsichtlich Transport und Montage bieten. Um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu maximieren, arbeitet das Unternehmen eng mit der ZHAW School of Engineering zusammen.

Die AGILE-Turbine stellt einen Technologiesprung dar in der Welt der Windkraftanlagen. Optisch wie technisch hebt sie sich deutlich ab von den etablierten Windturbinen mit drei Rotorblättern. Die AGILE-Turbine besteht aus mehreren waagrecht angeordneten Ringen, die mit vertikalen Flügeln verbunden sind. Diese sind innerhalb eines bestimmten Winkels frei beweglich und richten sich dem Wind entsprechend aus. «Die Turbine dreht sich wie ein Karussell im Wind, aber langsamer als der Rotor einer herkömmlichen Windkraftanlage», so Patrick Richter, CEO der AGILE WIND POWER AG. «Das Material wird so weniger stark beansprucht und erlaubt es, in grösseren Dimensionen zu bauen. Mit dieser Bauweise kann zudem auf geringerer Fläche mehr Strom produziert werden, was gerade an geeigneten exponierten Standorten in den Bergen einen grossen Vorteil mit sich bringt.»

Interdisziplinäre Zusammenarbeit

Herauszufinden, mit welcher Konfiguration die AGILE-Turbine den grösstmöglichen Wirkungsgrad erreichen kann, ist Forschungsauftrag der ZHAW School of Engineering. Unter Leitung des Zentrums für Aviatik (ZAV) sind dazu während mehrerer Monate Windkanalversuche vorbereitet, durchgeführt und ausgewertet worden. «Die Leistungsfähigkeit der Turbine hängt unter anderem vom Schwenkbereich und der Anzahl der Flügel ab», erklärt Michael Ammann, der das Projekt seitens ZAV bearbeitet. «Die optimalen Werte dieser verschiedenen Parameter sind nötig, um die Leistungsfähigkeit der Turbine zu maximieren.» Mit dem Ziel, diesen optimalen Werten auf die Spur zu kommen, haben neben dem ZAV auch das Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP), das Institute of Materials and Process Engineering (IMPE), das Institute of Embedded Systems (InES) sowie das Institut für Mechatronische Systeme (IMS) interdisziplinär zusammengearbeitet.

„

«Die Leistungsfähigkeit der Turbine hängt unter anderem vom Schwenkbereich und der Anzahl der Flügel ab.»

Michael Ammann, Projektleiter Zentrum für Aviatik (ZAV)

Maximale Leistungsfähigkeit

Am ZPP hat man für den Versuch ein Windkanalmodell der kompletten AGILE-Turbine konstruiert. Die speziellen Kohlefaserflügel sind dazu in Zusammenarbeit mit dem IMPE gefertigt worden. Die Steuerung des Modells sowie die Datenerfassung haben das IMS und das InES in Kooperation mit der Siemens Schweiz AG entwickelt. Die Windkanalversuche selbst wurden schliesslich in Zusammenarbeit zwischen dem ZAV und dem Industriepartner AGILE WIND POWER AG durchgeführt. «Wir haben diverse Konfigurationen der Turbine getestet und so den Einfluss der verschiedenen Parameter auf die Leistungsfähigkeit quantifiziert», so Michael Amann. «Unsere Untersuchungen zeigten, dass je nach Konfiguration der maximale Leistungskoeffizient stark gesteigert werden kann.» Die Windturbine als Einheit spielte dabei eine untergeordnete Rolle. Im Fokus stand die Ermittlung einzelner Flügelkräfte und der Schwenkwinkel der Flügel. Der modulare Aufbau des Windkanalmodells ermöglichte den raschen Aus- und Einbau einzelner Flügel. So liessen sich auch wertvolle Erkenntnisse über die gegenseitige Beeinflussung der Flügel innerhalb der AGILE-Turbine gewinnen. Die Strömung innerhalb der AGILE-Turbine wurde dazu mit einem zweiten Modell im Wasserkanal visualisiert. Dieses kleinere Modell hat das ZPP mittels 3D-Drucker gefertigt.

„

«Die ZHAW School of Engineering hat die Resultate aus Berechnungen des analytischen Modells mit den Messungen aus dem Windkanal verglichen. Auf diese Weise lässt sich das Potenzial der AGILE-Technologie erstmals abschätzen.»

Patrick Richter, CEO der AGILE WIND POWER AG

Projekt mit Potenzial

Um die Leistungsfähigkeit grösserer Versionen der AGILE-Turbine abschätzen zu können, ist ein analytisches Modell der AGILE-Turbine notwendig. Die Grundform dafür wurde am ZAV und am IMES entwickelt. Dieses Modell berechnet analytisch die Kräfte, welche auf die Flügel der AGILE-Turbine wirken. «Die ZHAW School of Engineering hat die Resultate aus Berechnungen des analytischen Modells mit den Messungen aus dem Windkanal verglichen», schildert Patrick Richter das Vorgehen. «Auf diese Weise lässt sich das Potenzial der AGILE-Technologie erstmals abschätzen.» Die Weiterentwicklung dieses analytischen Modells mithilfe der gewonnen Daten aus dem Windkanalversuch und auch aus den Feldmessungen des Prototyps stellt nun den nächsten Schritt in diesem innovativen Projekt dar.