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Physik | Technik
Noel Rhyner, 2002 | Wilen, TG
Wer auf Bahnhöfen schon einmal Nahe an der weissen Sicherheitslinie stand und von einem vorbeifahrenden Zug überrascht wurde, weiss wie stark fahrzeuginduzierte Strömungen werden können. Dieser Effekt tritt umso ausgeprägter auf, je schlechter ein Zug aerodynamisch profiliert ist (insbesondere Güterzüge). Ein ähnlicher Effekt tritt auch bei Lastwagen im Strassenverkehr auf. Ziel dieser Arbeit war es deshalb eine Vertikalturbine zu entwickeln, mit welcher diese fahrzeuginduzierten Strömungen in elektrische Energie umgewandelt werden können.
Fragestellung
(I) Lässt sich elektrischer Strom mit einer solchen Turbine erzeugen? (II) Welche theoretische Leistung kann umgewandelt bzw. welche Arbeit verrichtet werden? (III) Welchen Einfluss hat die Turbine auf das Fahrzeug?
Methodik
Begonnen wurde mit dem Bau drei verschiedener Vertikalturbinen im Rapid-Prototyping Verfahren und der Messung der fahrzeuginduzierten Strömungsgeschwindigkeit mithilfe eines Anemometers. Die drei Vertikalturbinen sollten zur realen Erprobung eingesetzt werden und neben Gleisen bzw. Strassen aufgestellt werden.
Mithilfe numerischer Strömungsmechanik wurden dann verschiedene Szenarien und Zustände simuliert. Parallel dazu wurden Züge und Lastwagen simuliert und die relative Strömungsgeschwindigkeit errechnet. Mithilfe dieser Strömungsgeschwindigkeit liess sich dann eine Abschätzung der zur erwartenden Leistung treffen. Der Einfluss der Turbine auf das Fahrzeug wurde mithilfe eines Zylinders an verschieden Positionen in der Domäne aber ausserhalb des Lichtraumprofils simuliert. Ein Zylinder wurde gewählt, da dieser einen schlechteren aerodynamischen Einfluss auf das Fahrzeug als eine rotierende vertikale Windturbine hätte.
Ergebnisse
Es hat sich gezeigt, dass insbesondere Güterzüge, welche aerodynamisch weniger gut profiliert sind, sehr hohe induzierte Strömungsgeschwindigkeiten erreichen können. Der Nachlauf eines unregelmässigen Güterzuges könnte eine durchschnittliche Arbeit von rund 7.8 Wh generieren, bei einem Lastwagen wäre es lediglich 0.003 Wh. Allerdings muss beachtet werden, dass die Frequenz der Lastwagen deutlich höher, dafür aber die Latenz deutlich geringer und auch der vorgeschriebene Abstand zwischen Fahrzeug und Turbine deutlich breiter ist (etwa durch Berücksichtigung eines Pannenstreifens). Die Simulationen weisen darauf hin, dass die Turbine keinen merklichen Einfluss auf das Fahrzeug bzw. seinen Leistungsbedarf hat. Getätigte reale Erprobungen waren aufgrund äusserer Einflüsse für diese Arbeit nicht aussagekräftig.
Diskussion
Es zeigte sich, dass die Energieumwandlung durch fahrzeuginduzierte Strömung möglich ist. Folgende Schlüsse lassen sich bereits jetzt ziehen. Es macht mehr Sinn kleinere, agile Turbinen zu wählen, da grössere Turbinen aufgrund des höheren Trägheitsmoments sehr viel Zeit benötigen, um auf Nenndrehzahl zu kommen. Auch macht es Sinn den Generator über ein MPPT-Tracking System zu steuern, um während der Beschleunigungsphase nicht zu viel Lastdrehmoment durch den Generator zur verursachen. Der Ansatz mit Vertikalturbinen hat sich aufgrund Ihrer Bauform als richtig erwiesen. Zudem hat sich gezeigt, dass die Turbine keinen merklichen Einfluss auf den aerodynamischen Widerstand und somit auf den Leistungsbedarf des Fahrzeugs hat.
Schlussfolgerungen
Diese Arbeit beleuchtet die Energiegewinnung durch fahrzeuginduzierte Strömungen, wobei unter anderem eine Abschätzung zur Leistung und Arbeit getroffen werden konnte und verschiedene Vertikalturbinen entwickelt und gebaut wurden. In Zukunft wäre es sicherlich interessant die ermittelten Ergebnisse mittels eines realen Experiments bzw. einer Erprobung zu validieren und die Erkenntnisse in die Praxis umzusetzen. Möchte man das Konzept weiterverfolgen, sollten mehrere kleine Turbinen in Kaskadenform angeordnet werden.
Würdigung durch den Experten
Prof. Leonardo Manfriani
Die Grundidee dieses Projektes, die Energiegewinnung aus dem Nachlauf vorbeifahernder Fahrzeuge, ist zweifellos sehr interessant, aber auch ziemlich anspruchsvoll in der Realisierung. Es wurde sehr viel Arbeit in die Konstruktion und Realisierung von WIndturbinen-Prototypen, Feldmessungen und numerischen Strömungssimulationen investiert . Bis zu einer praktischen Anwendung reicht es noch nicht, die Studie ist aber sicherlich vielversprechend.
Prädikat:
sehr gut
Sonderpreis «Swiss Innovation Forum (SIF)» gestiftet vom Eidgenössischen Institut für Geistiges Eigentum
Berufs- und Weiterbildungszentrum Wil-Uzwil (BZWU), Niederuzwil
Lehrer: Ernst Schwitter