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Vorläufige Beschreibung Schwingflügel-Windmotor Die Erfindung betrifft
eine Windkraftmaschine, bei der sich die vom Wind beaufschlagten Teile hin und her
bewegen.
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Von Meltzer wurde nach dem 1. Weltkrieg ein Windmotor beschrieben,
der zwischen zwei parallelen Waagebalken, die auf ein Icurbelgetriebe wirken, zwei
nebeneinanderstehende jalousieartige Windangriffsflächen haben sollte. An der TU
Berlin wurde 1976 ein sehr einfacher Schlag fliige l-Windmo t or zum Antrieb von
Kolbenpumpen in Entwicklungsländern konstruiert, der 1981 in der Karibik erprobt
werden soll. Menzel hat 1980 ein Patent auf einen selbsttätig umstellenden Schlagflügel
erhalten.
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v. König (Windenergie in praktischer Nutzung, München 1978) gibt der
oszillierenden Windkraftmaschine für die Zukunft wenig Chancen. Messungen am Schlagflügel
sollen ergeben haben, daß er nur 25 % des Wirkungsgrades eines Rotors erreicht.
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Wenn hier trotzdem der Gedanke wieder aufgegriffen wird, so liegt
das an der Projektierung von Großrotoren mit bisher nicht für möglich gehaltenen
Abmessungen. Sieht man von den seit alters bekannten Windmühlen ab, so haben kleine
"moderne" Rotor-Windkraftwerke etwa seit der Jahrhundertwende in aller Welt zufriedenstellend
gearbeitet. Aber bereits bei Anlagen mittlerer Größe hat es Schwierigkeiten gegeben.
So löste sich z.B.
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bei den zwei Windkraftwerken der Insel Neuwerk je ein Rotorblatt,
was in beiden Fällen zur Betriebseinstellung und zum Abbruch der Anlagen führte.
Ein Windkraftwerk der NASA mit 40 m Rotordurchmesser lief bis zur Zerstörung nur
32 Stunden.
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Der Bau der Großwindanlage "Growian" kann daher nicht nur euphorisch
begrüßt, sondern muß auch mit Skepsis erwartet werden.
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Die sehr komplexe Problematik des mittleren und großen Rotors war
jedoch Anregung, den Gedanken einer oszillierenden Windkraftmaschine wieder aufzugrcifen.
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Leider konnte die Original-i3eschreibung von Meltzer nicht beschafft
werden, nach der Skizze bei v. König (a.a.O.) dürfte Meltzer einen scheinbar logischen,
in der Praxis schwer durchführbaren Weg gegangen sein, indem er die beiden
jalousieartigen
Windangriffsflächen senkrecht zur Windrichtung nebeneinander stellt. Diese Lösung
erfordert nicht nur eine starke und damit schwere Auslegung der Waagebalken, sondern
auch eine synchrone Steuerung der Umstellung und des Anstellwinkels der Windangriffsfiächen.
Sie bedingt auch geradezu jalousieartige Windangriffsflächen, die nicht nur teuer
und reparaturanfällig sind, sondern auch einen geringeren Wirkungsgrad gegenüber
geschlossenen Flächen haben und die das Gewicht der sich hin und her bewegenden
Teile weiter erhöhen. Außerdem dürfte diese Anordnung bei böigem Wind zu Schwierigkeiten
führen. Leider ist nicht bekannt, ob Meltzer wenigstens ein Funktionsmodell gebaut
hat, wie und ob er das Problem der Belastung der Kurbelwelle in den Totpunkten gelöst
hat oder lösen wollte, wie die Steuerung funktionierte usw.
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Der Schlagflügel-Windmotor der TU Berlin ist für einen sehr einfachen
speziellen Zweck konstruiert und kann daher hier außer Betraclltung bleiben.
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Menzel zeigt in der Patentschrift leider nicht die praktische Nutzanwendung
des selbsttätig umstellenden Schlagflügels; in einer weiteren Patentanmeidung geht
er auch bereits vom Prinzip des reinen Schlagflügel-Windmotors ab und setzt den
Schlagflügel in einen Rotor.
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Offenbar bezweifelt auch v.König (a.a.O.), daß ein Wirkungsgrad von
25% im Vergleich zum Rotor in jedem Falle das Maximum sein soll. Aber selbst dann,
wenn von diesem Wirkungsgrad ausgegangen wird, wäre eine oszillierende Windkraftmaschine
dem Rotor gleichwertig oder überlegen, wenn die Kosten je erzeugter Energieeinheit
gleich oder geringer sind. Wenn die oszillierende Windkraftmaschine dariiber hinaus
Probleme löst bzw. umgeht, die beim mittleren und großen Rotoi nicht oder nur mit
sehr hohen Kosten zu lösen sind, wlire sie eine ernsthafte Konkurrenz für den Rotor.
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Die Aufgabe besteht also zunäcs darin, einen funktionsfähigen Schwingflügel-Windmotor
zu entwickeln und in Modellversuchen im natürlichen Wind an der Nordseeküste festzustellen,
ob ein solcher Motor im Vergleich zur Rotor-WindkraftmaschineVorteile hat.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß an einem (oder mehreren
verbundenen) in Windriclitung gelagerten und auf (ein) Kurbelgetriebe einwirkenden
Schwingbalken (-rahmen) vorne und/oder hinten beidseitig mindestens ein Flügel drehbar
gelagert wird, wobei zumindest die Umstellung der Flügel im Bereich der Totpunkte
mittels Getriebe und Lenker zwangsgesteuert wird (s. Abb. 1 und 2) Bei der Entwicklung
des Schwingflügel-Windmotors ergaben sich zwei Hauptprobleme: P 1. Dämfung der Schwingung
des Balkens vor den Totpunkten und Drehzahlregulierung, insbesondere auch bei böigem
Wind und variabler Lastabnahme.
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2) Prinzip und Anordnung des Steuergetriebes und der Lenker.
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Die Dämpfung hydraulisch, pneumatisch oder durch Federn vorzunehmen,
liegt nahe. Solche Lösungen würden es ggf. auch erlauben, die bei der Massenverzögerung
auftretenden Energieverluste z.T. zu vermindern. Zunächst aber wurde eine funktionsfähige
Lösung mit geringsten mechanischen Mitteln und durch entsprechende Anordnung der
schwingenden Teile erarbeitet.
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Die Dämpfung wird wesentlicji durch drei Maßnahmen erreicht: a) Der
Schwingbalken wird außermittig so gelagert, daß er vorne kürzer ist. b) Die flügel
vorne sind kleiner als die Flügel hinten. c) Der Umstellvorgang der Flügel wird
so früh eingeleitet, daß in bzw. kurz vor den Totpunkten die Anstellung für den
nächsten Hub bereits begonnen hat bzw. bereits weitgehend abgeschlossen ist. Diese
"Früumstellung" ist die wichtigste Dämpfungsmaßnahme.
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Das Steuergetriebe (Abb. 4) arbeitet nach dem Prinzip einer modifizierten
Parallelkurbel und besteht im Wesentlichen aus zwei durch eine überlange Kette verbundene
Kettenräder mit von Hand oder automatisch in ihrer Position verstellbare Kurbelzapfen
für die Lenker. Das eine Kettenrad ist fest auf die Kurbelwelle gesetzt, das andere
ist frei gelagert. Die Kette wird durch zwei auf einen Schlitten gelagerte Kettenspannräder
gespannt (Spannradschlitten.)
Siehe Abb. 3: Drehpunkt des Schwingbalkens
DS, sein Abstand zum Pleuelbolzen AP, Länge des Pleuels P, Position der Kurbelwelle
KW, Exzentrizität der Kurbelwelle RKW, Position des nicht auf der Kurbelwelle sitzenden
Kettenrades KR, sowie s. Abb. 4: radialer Abstand der Kurbelzapfen von der Achse
der Kettenräder RKR (=RKW) und s. Abb. 3: Länge der Lenker LV und LH, Länge des
Lenkhebels an den Flügelachsen LA, Distanz vom Drehpunkt des Schwingbalkens zum
Drehpunkt der Flügelachsen SBV und SBH müssen alle in einem ganz bestimmten Verhältnis
zueinander stehen, das aus Abb. 3 hervorgeht, in der die Maße des Modells angegeben
sind.
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Beim Aufwärtshub beträgt bei den angegebenen Maßen bzw. Verhältnissen
der Anstellwinkel gegenüber der Horizontalen ca.
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200, beim Abwärtshub ca. 300. Die Anstellwinkel ändern sich während
des Hubes gegenüber der Horizontalen nur wenig, die Umstellung beginnt erst - je
nach Frühumstellung - im Bereich der Totpunkte. Die Steuerung bewirkt, daß der Windmotor
nur im festgelegten Drehsinn laufen und anlaufen kann.
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Das Steuergetriebe ist ein Kompromiß aus der Forderung nach Funktionstüchtigkeit
und Einfachheit. Die angegebenen Maße bzw.
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Verhältnisse sind nur in engen Grenzen und nur in bestimmter Weise
änderbar, anderenfalls kommt es zu funktionsuntüchtigen Bewegungsabläufen.
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Die Frühumstellung wird erreicht, indem die Kurbetzapfen an den Kettenrädern
in einem kreisbogenförmigen Schlitz vom Totpunkt aus etwas in Drehrichtung versetzt
werden (Abb. 4).
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Dieses Versetzen kann von Hand erfolgen, indem die Zapfen in bestimmten
Positionen festgeschraubt werden. Die Frühumstellung kann so für vorne und hinten
gesondert eingestellt werden.
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Wird einer oder beide Kurbelzapfen beweglich gelagert und z.B.
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mit einem Fliehkraftregler, Elektromagneten mit Windfühler o.ä.
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vebbunden, so kann die Frühumstellung auch während des Betriebes erfolgen
und der automatischen Regelung dienen.
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Eine wesentlich einfachere Möglichkiet der automatischen Regelung
bietet der Spannradschlitten (SRS, Abb.4). Hierbei werden allerdings - völlig ausreichend
- nur die hinteren Flügel von der automatischen Frühumstellung erfaßt, sofern man
nicht
wieder größeren mechanischen Aufwand treiben will. Das Verfahren
ist hierbei wie folgt: Die beiden Kurbelzapfen an den Kettenrädern werden auf einen
günstigen Erfahrungswert eingestellt, so daß eine "durchschnittliche" Frühumstellung
fest eingestellt ist. Wird der Spannradschlitten nach oben bewegt, erfolgt die Umstellung
der hinteren Flügel früher als fest eingestellt, wird er nach unten bewegt, erfolgt
die Umstellung später. Den Spannradschlitten mit einem Drehzahlregler und einem
Windfühler zu kombinieren, ist einfach.
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Die Lage des Schwingbalkens in Windrichtung kann bedeuten, daß die
hinteren Flügel - jedenfalls teilweise - in dem von den vorderen Flügeln geschwächten
Windfeld arbeiten müssen.
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Das ist jedoch weitgehend zu vermeiden, indem die vorderen Flügel
möglichst breit und entsprechend kurz bemessen werden und möglichst nahe am Schwingbalken
montiert werden, die hinteren Flügel dagegen lang und entsprechend schmal bemessen
werden und möglichst weit vom Schwingbalken montiert werden.
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(Abb. 1) Als Flügel wurden beim Modell bisher ebene Sperrholzplatten
(4 mm) verwendet. Ob sich bei Großausführungen Profile lohnen, erscheint fraglich.
Wahrscheinlich werden aber einfache Stromlinienprofile mehr aus statischen und Gewichtsgründen
als aus aerodynamischen Gründen zweckmäßig sein, jedenfalls für die hinteren Flügel.
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Als günstige Lage für die Drehachse der Flügel wurde beim rechteckigen
Plattenflügel nach bisher noch unvollkommenen und nicht abgeschlossenen Versuchen
ein Verhältnis von vorn zu hinten von etwa 13 (14) zu 37 (36) ermittelt. (Abb. 1)
Über das Längenverhältnis des SchwiIsgsbalkens von vorn zu hinten kann bisher nur
gesagt werden, daß beim Modell ein Verhältnis von 7 : 9 (700 : 900 mm) angenommen
wurde.
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Die Versuche wurden mit einem noch recht unvollkommenen und "unharmonischen"
Modell ausgeführt. So wurden zunächst Kurbelwelle, Pleuel und Achsen mit Lenkhebeln
für die Flügel für ein sehr kleines Modell zum Antrieb eines Fahraddynamos gebaut.
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Aus verschiedenen Gründen wurden dann aber Schwingbalken und Flügel
größer gebaut als ursprünglich geplant und eine
Kfz-Gleichstromlichtmaschine
14V/30A eingebaut. Trotz vieler nachteiliger Faktoren - ungünstiger Keilriemenantrieb
für die Übersetzung, zu kleines Schwungrad, ungünstiger Standort ca.
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40 m hinter dem Deich zwischen zwei Gebäuden in ca. 25 und 40 m Entfernung,
Masthöhe nur 3 m und damit gut 2 m unter Deichkrone - drehte der Windmotor etwa
bei Windstärke 5 die durch die Kohlebürsten gebremste Gleichstromlichtmaschine im
Leerlauf mit etwa 80 rpm bei etwa 50 rpm der Kurbelwelle.
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Bei stärkeren Böen hielt die Weichlötung an der Kurbelwelle aus 10
mm Rundmessing dann allerdings nicht mehrnurid mußte mehrfach nachgelötet werden.
Erstaunlich aber war, daß alle anderen, annehmlichhuch viel zu schwach gebauten
Teile, hielten.
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Abb. 2 zeigt ungefähr den Aufbau des Modells, das aber noch keinen
Freilauf und keine Fliehkraftkupplung hatte. Es bedeuten: S = Schwungrad mit Freilauf,
FK = Fliehkraftkupplung, (; Geiierator.
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Die Versuche mit diesem noch unvollkommenen Modell haben bereits gezeigt:
1) Das Problem der Dämpfung des Schwin&balkens ist gelöst.
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Der Windmotor läuft weich, die Frühumstellung bewährt sich voll und
wirkt als fLuftfederung". Sie eignet sich auch zur Drehzahlregulierung.
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2) Bei richtiger Laterung der Flügel wird durch den Umstellvorgang
kaum Energie verbraucht, eher scheint das Gegenteil der Fall zu sein. Durch die
Verzögerung des Schwingbalkens vor den Totpunkten streben die hinteren (längeren)
Teile der Fliigel nach oben bzw. unten und übertragen so Kraft über Lenker und Steuergetriebe
auf die Kurbelwelle. Diese "Rückübertragung" war beim Modell sicher nicht nennenswert
groß, aber möglicherweise ist das Prinzip zu vervollkommnen. Jedenfalls zeigt diese
Beobachtung, daß es ausreicht, Steuergetriebe und Lenker ziemlich leicht zu bauen
und daß für den Umstellvorgang in summa womöglich überhaupt keine, mit Sicherheit
aber nur sehr wenig Energie von der Kurbelwelle abgefordert wird. Das bedeutet,
daß ein wesentliches Bedenken gegen den Bau von Schwingflügel-Windmotoren mit großen
Flügeln ausgeräumt
ist. Für die Entwicklung von Stromlinienprofilen
ist die vorstehende Beobachtung wegen der Schwerpunkt lagerung wichtig.
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3) Es war erforderlich, den Schwingbalken mit Flügeln und Lenkern
so auszubalancieren, daß erwaagerecht und damit in Anlaufstellung steht. Durch ein
Gewicht an einem auf die Kurbelwelle gesetzten größeren Rad (Abb. 2) sollte bewirkt
werden, daß sich der Schwingbalken bei Windstille immer selbsttätig in Anlaufstellung
bringt. Bei kräftig einsetzendem Wind ist das Anlaufverhalten dann auch untei Last
sehr gut. Bei schwachem Wind war das Anlaufverhalten des Modells jedoch nicht zufriedenstellend.
Das lag jedoch nicht am Prinzip, sondern an der etwas schwergängigen Keilriemenübersetzung,
an einem zu kleinen bzw. zu leichten Schwungrad und an einer fehlenden Fliehkraftkupplung
zur Lastabkopplung. Unter diesen Bedingungen blieb der Schwingbalken bei schwachem
Wind in der Nähe der Totpunkte stehen und konnte dann auch von kräftigem Wind nicht
immer in Gang gesetzt werden. Bei Vermeidung der vorstehend genannten Fehler ist
es aber möglich, einen Schwingflügel-Windmotor mit nur einem Schwingbalken zu bauen,
der ein einwandfreies Anlaufverhalten auch bei schwachem Wind hat.
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4) Das Modell drehte sich ohne Windfahne sehr genau in den Wind. Wie
an dem ungünstigen Standort festgestellt werden konnte, ist das Verhalten im böigen
und turbulenten Wind gut. Um böigen Wind besser ausnutzen zu können, empfiehlt es
sich, einen Freilauf einzubauen. Das Verhalten des Windmotors im Sturm mit im Totpunkt
festgesetztem Schwingbalken war ruhig. Es scheint sich zu bewähren, wenn die schwingenden
Teile, also Schwingbalken und Flügel, nicht zu starr, sondern leicht federnd ausgeführt
werden.
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5) Die durch die Bewegung auf den Mast übertragenen Schwingungen sind
wesentlich geringer als erwartet sie dürften kein Hindernis für den Schwingflügel-Windmotor
sein.
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6) Die Geräuschentwicklung durch den Schwingflügel-Windmotor ist gering.
Der Anblick des laufenden Windmotors vermittelt den Eindruck einer eleganten Bewegung,
die aus der Natur bekannt ist, z.B. der Flug eines größeren Vogels gegen den Sturm
(er
gab übrigens das Vorbild für den Bau dieses Windmotors), oder über Wellenkämme springende
Delphine.
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Sämtliche Arbeiten hatten bisher das Ziel, die mechanischen Hauptprobleme
zu lösen, während die Gesetze des Aerodynamik nur oberflächlich berücksichtit werden
konnten. Nachdem die mechanischen Hauptprobleme als weitgehend gelöst betrachtet
werden können, werden sich die weiteren Arbeiten auf die Abstimmung von mechanischen
Möglichkeiten und aerodynamischen Erfordernissen erstrecken. Itierzu wird insbesondere
auch die Entwicklung einfacher Vorrichtungen zur Änderung des Anstellwinkels gehören.
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Da der Schwingflügel-Windmotor mit bekannten oszillierenden Windkraftmaschinen
nicht vergleichbar ist, sollen hier aufgabegemäß die Vorteile genannt werden, die
er bereits jetzt bzw.
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nach einer weiteren Entwicklung gegenüber der Rotor-Windkraftmaschine
haben könnte.
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Der Schwingflügel-Windmotor erlaubt es, große Windangriffsflächen
preiswert an den Wind zu bringen. Wie auch immer die endgültige Form der Flügel
aussehen mag - ob Platte oder Stromlinienprofil - es wird mit Sicherheit kein gewundenes
Profil wie beim Rotorblatt sein.
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Geht man davon aus, daß der Anstellwinkel willkürlich oder automatisch
geändert werden kann, z.B. durch selbstanstellende (nicht selbstumstellende!) Flügel,
so würde der Schwingflügel bei jeder Windgeschwindigkeit mit höchstmöglichem Wirkungsgrad
arbeiten, während das Rotorblatt nur für e i n e Windgeschwindigkeit optimal gebaut
werden kann.
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Die Möglichkeiten der Anpassung an verschiedene Windgeschwindigkeiten
und wechselnde Lastabnahme sind sehr groß. Es bleibt natürlich auch beim Schwingflügel-Windmotor
die Möglichkeit, den Motor aus dem Wind zu drehen. Die Frühumstellung beim Schwingflügel
könnte man entfernt mit der Rotorblattverstellung vergleichen - insofern besteht
also bereits jetzt kein Nachteil gegenüber dem Rotor. Schließlich wäre denkbar,
die Flügel etwa teleskopartig in ihrer Größe veränderbar zu machen. Aber bereits
jetzt
könnte man durch das Ansetzenbzw. Abnehmen von Flügelstücken mit Sommer- bzw. Winterflügeln
arbeiten. Ferner dürfte es keine großen Schwierigkeiten machen, den Schwingbalken
teleskopartig auszubilden bzw. die Position der Flügelachsen auf dem Schwingbalken
veränderbar zu machen, was auch bereits jetzt durch einfache Montage für Sommer-
und Winterbetrieb möglich ist.
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Aus all dem geht hervor, daß es möglich sein wird, einen Schwingflügel-Windmotor
bei jeder Windgeschwindigkeit - von den Extremen einmal abgesehen - arbeiten zu
lassen, und zwar optimal arbeiten zu lassen. Das führt im Jahresmittel zu wesentlich
mehr Betriebsstunden als beim Rotor. Insofern kommt es also nicht auf den Wirkungsgrad
pro Einheit Windangriffsfläche an, sondern auf die Kosten je erzeugter Energieeinheit
im Jahresdurchschnitt.
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Wenn es möglich ist, Schwingflügel-Windmotore mit großen Windangriffsflächen
preiswert herzustellen, so entfällt auch die Notwendigkeit, sehr hohe Masten bzw.
Türme zu bauen, wie sie für Rotoren erforderlich sind. Da der Schwingflügel-Windmotor
gegen böigen und turbulenten Wind ziemlich unempfindlich ist, arbeitet er sogar
unmittelbar über dem Erdboden. Die Masthöhe wird daher nicht wie beim Rotor vorwiegend
von technischen Erfordernissen bestimmt, sondern allein durch Wirtschaftlichkeitsrechnung.
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( In diesem Zusammenhang sollen hier noch zwei Bedenken wegen der
Größe der "GROWIAN" geäußert werden, die offenbar noch nicht in der Diskussion erschienen:
Welche Gefahr bedeuten Windkraftanlagen dieser Größe für den an der Küste lebhaften
Militär-, Lotsen- und Rettungsflugverkehr? Ferner: Messungen des Max-Planck-Instituts
der Universität Hamburg auf der Insel Neuwerk haben im Juni 1980 ergeben, daß der
Wind in ca. 50 und 100 m Höhe absolut gegenläufig sein kann. Der leitende Meteorologe
versicherte allerdings, solche Erscheinungen könnten nur ctct im Schwachwind auftreten.
(?) ) Die Unfallgefahr ist beim Schwingflügel-Windmotor wesentlich geringer als
bei der Rotor-Windkraftmaschine. Die Möglichkeiten zur Steuerung sind so vielfältig,
daß ein Durchgehen des Motors
im Sturm auch beim Ausfall einer
Steuervorrichtung auszuschließen ist. Bei Lenkerbruch o.ä., je nachdem ob vorne
und/oder hinten, läuft der Windmotor mit verminderter Kraft weiter oder er bleibt
stehen. Fällt ein vorderer Flügel oder das Flügelpaar ab, so wird es kaum, wie beim
Rotor, geschleudert, sondern vom Wind fortgetragen. Der Motor läuft mit verminderter
Kraft weiter. Wenn die hinteren Flügel abfallen, dreht sich der Motor 0 um 180 und
bleibt stehen. Eine Zerstörung von Getriebe, Generator und sogar Mast - wie beim
Rotor-Windkraftwerk durchaus möglich - ist ausgeschlossen.
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Einige Eigenschaften des Schwingflügel-Windmotors: geringe Masthöhe,
Unempfindlichkeit gegen Turbulenzen, Ungefährlichkeit, geringe Geräuschentwicklung
und elegantes Aussehen würden es gestatten, Schwingflügel-Windmotore auch an Standorten
zu betreiben, wo der Betrieb von Rotor-Windkraftmaschinen nicht möglich ist.
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Die Herstellung des Schwingfliige l-Windmotors ist problemlos.
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Komplizierte und hochbelastbare Teile wie eine Rotornabe gibt es nicht.
Die Maschinenteile können von jedem Maschinenbaubetrieb mit Mindestausstattung hergestellt
werden. Die Flügel kann jeder Tischler, Kunststoffverarbeiter oder Blechschlosser
herstellen.
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