In der vorliegenden Arbeit werden Leistungsmessungen mit axial durchströmten Flussturbinen im Umlauftank der TU Berlin vorbereitet.
Zunächst wird die Funktionsweise der Kleinkraftwerke erläutert. Es werden außerdem bereits auf dem Markt verfügbare Anlagen vorgestellt. Die Stärken und Schwächen der neuartigen Technologie werden analysiert und auf dieser Basis ihr Zukunftspotential abgeschätzt. Flussturbinen können entlegene Regionen, die keinen Zugang zur öffentlichen Stromversorgung haben, mit sauberer Energie versorgen. Zur Energieerzeugung in großem Umfang für die Industrienationen sind sie nicht geeignet.
Im weiteren Verlauf der Arbeit werden Freifahrtversuche, die mit drei Flussturbinen auf dem Elbe-Havel-Kanal durchgeführt wurden, dokumentiert und ausgewertet. Bei den Versuchen kamen zwei mantellose Turbinen mit zwei bzw. drei Schaufelblättern und eine ummantelte Anlage mit drei Schaufeln zum Einsatz. Die Leistungsausbeute der mantellosen Turbinen blieb hinter den Erwartungen zurück, was vorrangig auf den Versuchsaufbau zurückzuführen ist. Die Messergebnisse der ummantelten Turbine lagen nahe an den theoretisch erreichbaren Werten.
Im Umlauftank der TU Berlin werden Messungen mit den gleichen Turbinen vorbereitet. Zu diesem Zweck werden zwei Konstruktionen erarbeitet, die der Fixierung der verschiedenen Anlagen in der Messtrecke des UT2 dienen. Entsprechende Fertigungszeichnungen sowie eine Montageanleitung sind im Anhang der Arbeit zu finden. Außerdem wird ein Messplan erstellt, aus dem die zu erfassenden Daten entnommen werden können. Der Plan gewährleistet eine möglichst genaue Untersuchung des Verhaltens der Anlage. Die Auswertung der Versuchsdaten wird so vorbereitet, dass sie anschaulich dargestellt und mit den Messwerten der Freifahrtversuche verglichen werden können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Funktionsweise einer frei umströmten Flussturbine
2.1.1 Umwandlung von kinetischer in mechanische Energie
2.1.2 Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie
2.2 Kommerzielle Anbieter von Flussturbinen
2.3 Vor- und Nachteile gegenüber anderen Energieträgern
2.4 Umweltauswirkungen
2.5 Zukunftspotential
3 Dokumentation von Freifahrtversuchen
3.1 Versuchsumstände
3.2 Versuchsablauf
3.3 Versuchsauswertung
3.3.1 Auswertung der Messdaten der WILO-Turbinen
3.3.2 Auswertung der Messdaten der KSB-Turbine
4 Planung und Entwurf von Messungen im Umlaufkanal
4.1 Konstruktionen zur Fixierung der Flussturbinen
4.1.1 Beschreibung
4.1.2 Berechnung der angreifenden Kräfte
4.1.3 Ergebnisse der SolidWorks-Simulationen
4.2 Vorbereitung der Messungen
4.2.1 Versuchsumstände
4.2.2 Versuchsablauf
4.2.3 Versuchsauswertung
5 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit widmet sich der Vorbereitung von Leistungsmessungen mit axial durchströmten Flussturbinen im Umlauftank der Technischen Universität Berlin. Das primäre Ziel besteht darin, ein methodisches Konzept zur Fixierung unterschiedlicher Turbinentypen in der Messstrecke zu entwickeln sowie einen detaillierten Messplan zu erstellen, um das Betriebsverhalten dieser Anlagen unter kontrollierten Bedingungen präzise zu untersuchen und mit vorangegangenen Freifahrtversuchen zu vergleichen.
- Analyse der Funktionsweise und kommerzieller Marktangebote von Flussturbinen.
- Dokumentation und Auswertung von Freifahrtversuchen an verschiedenen Turbinentypen.
- Konstruktiver Entwurf von Halterungssystemen für den Umlauftank.
- Durchführung von Festigkeitssimulationen zur Validierung der Fixierungskonstruktionen.
- Erstellung eines Mess- und Auswertungsprotokolls für künftige Testreihen im Umlauftank.
Auszug aus dem Buch
2.1 Funktionsweise einer frei umströmten Flussturbine
Die Idee der frei umströmten Flussturbine ist es, die in Flüssen enthaltene kinetische Energie zu nutzen. Im Gegensatz zu herkömmlicher Wasserkraft, bei der die potentielle Energie des Wassers genutzt wird, ist bei der Flussturbine keine Querverbauung im Gewässer nötig.
Zur Umwandlung der kinetischen Energie in mechanische Energie gibt es verschiedene Ansätze. Sogenannte schwimmende Mühlen nutzen die Flussströmung durch Wasserräder, die auf oder an einem Schwimmkörper fixiert sind (Abbildung 2.1). Derartige Anlagen erzielen jedoch einen Gesamtwirkungsgrad von nur max. 30 % [5].
Außerdem kann die freie Strömung durch eine Turbine mit vertikaler Achse, zum Beispiel durch einen Darrieus-Rotor (Abbildung 2.2), genutzt werden. Anlagen dieses Typs besitzen allerdings sehr geringe Anfangsdrehmomente und benötigen daher externe Startmechanismen zur Stromproduktion [6].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet den steigenden globalen Energiebedarf und die Notwendigkeit, Wasserkraft effizienter und umweltfreundlicher zu nutzen, insbesondere durch hydrokinetische Turbinen.
2 Stand der Technik: Dieses Kapitel erläutert die Funktionsprinzipien, die kommerzielle Verfügbarkeit sowie Vor- und Nachteile von Flussturbinen im Vergleich zu anderen Energieträgern und bewertet deren Zukunftspotential.
3 Dokumentation von Freifahrtversuchen: Hier werden die Versuchsbedingungen und Ergebnisse der Leistungsmessungen von drei verschiedenen Turbinen auf dem Elbe-Havel-Kanal dokumentiert und ausgewertet.
4 Planung und Entwurf von Messungen im Umlaufkanal: Es erfolgt die detaillierte Beschreibung der Konstruktionen zur Fixierung der Turbinen, deren statische Auslegung mittels Simulationen sowie die Erstellung eines strukturierten Vorbereitungsplans für zukünftige Versuche.
5 Ausblick: Der Ausblick fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und identifiziert weiteren Forschungsbedarf hinsichtlich der Optimierung von Turbinendesigns und Standortbedingungen.
Schlüsselwörter
Flussturbine, hydrokinetische Energie, Leistungsmessung, Umlauftank, Freifahrtversuche, Asynchronmaschine, Frequenzumrichter, Strömungsmechanik, Festigkeitssimulation, SolidWorks, Wirkungsgrad, Energieumwandlung, Leistungsbeiwert, regenerative Energien, Kleinstwasserkraftwerke.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Vorbereitung und methodischen Planung von Leistungsmessungen für axiale Flussturbinen im Umlauftank der TU Berlin, basierend auf vorangegangenen Freifahrtversuchen.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Zentrale Themen sind die physikalischen Grundlagen der Energieumwandlung in Flussturbinen, die Analyse bestehender kommerzieller Systeme, die experimentelle Auswertung von Freifahrtversuchen sowie die mechanische Konstruktion von Fixierungsvorrichtungen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die Erarbeitung eines zuverlässigen Testkonzepts für den Umlauftank, das einen Vergleich zwischen theoretischen Leistungswerten und tatsächlichen Messergebnissen ermöglicht.
Welche wissenschaftliche Methode kommt zum Einsatz?
Neben der Literaturrecherche und der experimentellen Datenanalyse aus Freifahrtversuchen wird die Finite-Elemente-Methode mittels SolidWorks genutzt, um die Stabilität der entworfenen Fixierungskonstruktionen zu validieren.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die technische Analyse der Flussturbinen-Technologie, die detaillierte Auswertung der Versuchsdaten von der Elbe sowie die konstruktive Planung und simulationstechnische Überprüfung der Messaufbauten für den Umlauftank.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich primär über Begriffe wie Flussturbine, hydrokinetische Energie, Leistungsmessung, Wirkungsgrad und konstruktive Festigkeitsanalyse definieren.
Warum wird im Umlauftank ein spezieller Messplan benötigt?
Ein strukturierter Messplan ist erforderlich, um bei den geplanten Versuchen im UT2 eine konsistente Datenbasis zu schaffen, die eine exakte Vergleichbarkeit der verschiedenen Turbinentypen bei variablen Strömungsgeschwindigkeiten gewährleistet.
Welchen Einfluss hatte der Versuchsaufbau auf die bisherigen Ergebnisse?
Die Freifahrtversuche zeigten, dass eine nicht optimale Anströmung durch Einbauten am Versuchsträger zu signifikanten Leistungseinbußen und Verwirbelungen führte, was die Wichtigkeit der korrekten konstruktiven Fixierung unterstreicht.
- Citar trabajo
- Stephen Moser (Autor), Alexander Bachmann (Autor), 2014, Entwurf einer Konstruktion und Messplanes zur Untersuchung von Flussturbinen in einem Umlaufkanal, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/300038
