Auch dieses Kapitel handelt nicht von Äther, aber die Gesichtspunkte dieser Überlegungen werden später sehr wohl wieder auftreten. Hier aber handelt es sich ganz einfach um Windräder - nur dass Wind hierzu ´künstlich´ hergestellt wird.
Kein Segler liebt in der Flaute zu sitzen. Hilfreich sind dann Zurufe, er solle doch ins Segel pusten, oder professioneller der Vorschlag, vor dem Segel entlang zu blasen. Aber dieses Drücken von Luft erzeugt Gegendruck und es wird damit kaum Vortrieb zu gewinnen sein. Ich allerdings würde empfehlen, Luft abzusaugen, auf der Vorderseite des Segels, an seiner Hinterkante. Vermutlich halten ´Landratten´ auch dies für ´Seemannsgarn´ - sollten aber folgende Konstruktion ernsthaft bedenken.
Grundkonstruktion des Rotors
In Bild 05.06.01 ist schematisch das Prinzip dieser Maschine dargestellt, links im Querschnitt und rechts im Längsschnitt durch die Systemachse. In einem Gehäuse (grau) ist die Welle eines Rotors (R, rot) gelagert, welcher gegen den Uhrzeigersinn dreht. Der Rotor besteht zunächst aus zwei planen, parallelen, runden Scheiben. Senkrecht zu diesen Scheiben und zwischen beiden Scheiben ist eine ringförmig Fläche (U) installiert. Außerhalb dieses Rings sind Schaufelblätter (S, hier z.B. zwölf) installiert, ebenfalls von Scheibe zu Scheibe reichend.
Das Profil der Schaufelblätter ist ähnlich zur Oberseite von Tragflächen gestaltet, allerdings sind diese Blätter außen kreisförmig weiter geführt, so dass nur ein kleiner Spalt nach außen zwischen jeweils zwei Schaufeln offen bleibt. Auch der vorige Ring weist Spalten auf, jeweils an der Vorderkante der Schaufeln. Dieser innere Spalt (E) ist enger als der jeweils äußere Spalt (F).
Umwälzung des Mediums
Die Luft im Innern der Maschine wird umgewälzt, wozu drei Bereiche durch unterschiedliches Blau und ein Bereich durch Gelb gekennzeichnet ist. Die Luftbewegung ist durch Pfeile gekennzeichnet. Im Bereich A (gelb) saugt eine Pumpe (P) Luft durch einen Kanal (gelb) in axialer Richtung aus dem Rotor.
Bereich B zwischen den Rotorscheiben und bis zum Ring weist damit ein relatives Vakuum (V) auf. In dieses fließt Luft durch die Schlitze (E) aus dem Bereich C der Schaufelblätter nach. Durch die Schlitze (F) wird wiederum Luft aus dem äußeren Bereich D eingesaugt. In diesem äußeren Bereich herrscht normaler Luftdruck (N) und in diesen äußeren Bereich mündet auch der Auslass der Pumpe.
Die Luft wird durch Drehung des Rotors im Kreis herum mit geführt. Die Pumpe sollte Luft am Auslass im Drehsinn abgeben und könnte dabei durchaus noch Drehmoment an den Rotor abgeben (weil die Abluft schneller als die Rotordrehung ist). Außen am Gehäuse entlang wird die Luft praktisch gleich schnell drehen wie der Rotor. Zwischen den Schaufelblättern ´fährt´ Luft mit im Kreis herum. Im mittigen Bereich wird die Luft sogar schneller drehen als der Rotor und zum Zentrum und in den Pumpen-Einlass hinein nochmals beschleunigt.
Strömung und Vortrieb
Die Schlitze sind jeweils an der Vorderseite der Schaufelblättern angebracht. Vorige Strömung gleitet also entlang dieser Oberfläche, bleibt dort auch anliegend aufgrund deren konvexer Krümmung. Direkt an der Oberfläche wird die schnellste Strömung sein, weil langsamere Luftschichten seitlich davon auf diese beugend, verdichtend und beschleunigend wirken (wie in vorigen Kapiteln mehrfach ausgeführt).
In Bild 05.06.02 ist ein Ausschnitt vorigen Querschnitts noch einmal in größerem Maßstab skizziert. Der Bereich der Strömung entlang der Vorderseite der Schaufelblätter ist durch helles Blau markiert. Damit die Strömung auch über längere Distanz anliegend bleibt bzw. diese zusätzlich beschleunigt wird, könnten davor strömungsgünstige Elemente (G) oder Leitbleche (H) installiert sein.
Diese Elemente könnten durch ihr tragflächen-ähnliches Profil durchaus Auftrieb erzeugen, welcher hier im Drehsinn wirkt und somit Vortrieb darstellt. Im wesentlichen aber ergibt sich das Drehmoment dieser Maschine durch Differenz statischen Drucks zwischen Vorderseite (I) und Rückseite (J) der Schaufelblätter. Die Luft im ´Kasten´ der Schaufelblätter dreht gleichsinnig mit dem Rotor, so dass sie an deren Rückseite praktisch ruhend ist und mit nahezu normalem atmosphärischem Druck auf dieser lastet.
Die Luft fließt an den Vorderseiten der Schaufelblättern von außen nach innen, allerdings wirkt diese Strömung nicht bis zur nächsten Rückseite (bzw. die Schaufelblätter müssen mit entsprechendem Abstand installiert werden). Damit an den Rückseiten die Luft möglichst ruhend ist, könnten dort z.B. gekrümmte Bleche (K) und quer dazu scheibenförmige Segmente (L) installiert sein. Die Flächen dieser ´Kästen´ könnten mit Löchern versehen sein, so dass Luftbewegung möglich ist, jedoch nur turbulent. Es könnten auch Löcher (M) durch die Rotorscheiben gebohrt sein, damit direkt hinter der Schaufel-Rückseite wirklich der normale atmosphärische Luftdruck anliegt.
Auf- bzw. Vortriebskraft
Damit sollte eine Windkraftanlage zu bauen sein, die mehr Energie liefert als für die Produktion des ´künstlichen´ Winds erforderlich ist. Diese Vorstellung ist natürlich höchst befremdlich, eben weil wir das Gesetz der Energie-Konstanz verinnerlicht haben und Maschinen mit mehr Nutzen als Aufwand unmöglich erscheinen. Selbst die berühmte Wärmepumpe mit ihren 300 Prozent Wirkungsgrad hält sich an dieses Gesetz - wiewohl eben ´kostenlose´ Umweltwärme genutzt wird (die aber ansonsten wertlos bliebe).
Tragflächen haben nochmals höheren Wirkungsgrad, indem Gravitationskraft genutzt wird - aber diese ´Energie´ wird nicht verbraucht (wie vorige Umweltwärme). Eine Tragfläche bietet Widerstand gegen ihre Vorwärtsbewegung, aber nur minimale Cw-Werte von etwa 0.01 bis 0.05 (im Gegensatz zu den bekannten Kfz-Werten von 0.2 und mehr). Die Auftriebskraft wird entsprechend per Ca-Wert für jedes Profil und jeden Anstellwinkel ermittelt - und dieser liegt bei etwa 0.25 bis 1.0, also vielfach höher als korrespondierende Widerstandsbeiwerte und entsprechend ist der ´Wirkungsgrad´ zwischen Energie-Einsatz für den Vortrieb und Nutzen durch Auftrieb).
Hier müsste leicht ein Ca-Wert von mindestens 0.5 erreichbar sein, weil praktisch keine Luftbewegung an der Hinterseite des Schaufelblatts gegeben ist, also der ganze atmosphärische Druck anliegen wird. Umgekehrt kann die Vorderseite optimal gestaltet werden, weil sie nur für konstante Geschwindigkeiten auszulegen ist. Die wirksame Fläche ist seitlich durch die Rotorscheiben begrenzt, so dass der Auftrieb nicht durch seitlichen Zustrom gemindert wird (der an Tragflächen z.B. durch ´Winglets´ vermieden werden soll). Anders als beim Profil der Tragfläche sollte hier von außen nach innen die Krümmung zunehmend sein, so dass die Strömung stetig weiter gebeugt werden kann.
Die Luft wird außen gleich schnell wie der Rotor drehen, so dass der Zufluss zur Schaufel durch den äußeren Schlitz niemals abreißen wird. Umgekehrt wird die Luft durch den inneren Schlitz permanent abgesaugt, wobei die Luft in das große Volumen des mittigen Rotorbereichs widerstandslos einströmen kann (weil dort ohnehin Strömung zum Zentrum gegeben ist). Diese Schaufeln werden also Vortrieb in optimaler Weise produzieren. Allerdings ist die gängige Formel für Auftrieb hier nicht anwendbar, weil diese Schaufeln nicht wie (angestellte) Tragflächen umströmt werden. Der Vortrieb ergibt sich hier ausschließlich aufgrund Differenz statischen Drucks.
Künstlicher Wind
In Bild 05.06.03 ist die Konzeption des ersten Bildes wiederholt, nun jedoch etwas maßstab-gerechter und mit folgenden Änderungen:
Die Scheiben des Rotors (R) können auch konisch angestellt sein (wie hier die rechte), so dass von außen nach innen weniger Raum zur Verfügung steht, d.h. das Fluid einwärts beschleunigt wird. Die Rotorscheibe zur Pumpe hin muss nicht bis zur Achse durchgezogen sein, beide können mit Querstreben ausreichend stabil verbunden sein. Damit kann der Zufluss zur Pumpe weiträumig als ringförmiger Kanal gestaltet werden.
Die Pumpe (P) wurde nun axial angeordnet, wobei gängige Radialpumpen oder die Vakuum-Sog-Pumpe des vorigen Kapitels zu verwenden sind. Eventuell sind zur Halterung oder Lagerung von Bauteilen auch Leitschaufeln erforderlich, die aber optimal korrespondierend zur konstanten Geschwindigkeit und Richtung der Strömung anzulegen sind. Die Abluft der Pumpe ist gegen die Außenfläche der Rotorscheibe zu richten, so dass der Energie-Einsatz der Pumpe zur Fluid-Beschleunigung wieder zurück gewonnen wird.
Die Pumpe entlässt Abluft in bereits rotierendes Fluid, so dass auch dort nur geringer Widerstand auftritt. Im ganzen System wird Luft nur umgewälzt, wobei die Geschwindigkeit von Bereich zu Bereich unterschiedlich ist, aber keine wesentlichen Widerstände auftreten, sondern im Gegenteil die jeweilige Beschleunigung (entlang der Schaufeloberfläche und in der Sogpumpe) automatisch aufgrund molekularer Bewegung erfolgt. Wesentlich größer wird die mechanische Reibung sein, z.B. auch der Dichtung zwischen Rotor und Pumpe, sowie der Verlust beim elektrischen Antrieb der Pumpe.
Beispiel-Daten
Voriges Bild zeigt die Bauelemente etwa maßstabgerecht, wobei von einem Durchmesser des Rotors mit 4 m ausgegangen wird. Die Schaufeln (S) sind 0.5 m lang und 0.25 m breit, bilden also eine Fläche von 0.125 m^2, alle zwölf Schaufeln zusammen eine wirksame Fläche von 1.5 m^2. Die inneren Schlitze sind diese 0.25 m lang und 0.04 m breit, jeder Schlitz hat damit eine Querschnittsfläche von 0.01 m^2 bzw. die zwölf Schlitze zusammen von 0.12 m^2. Der Abstand zwischen Hinter- und nächster Vorderseite der Schaufeln ist mehr als ein Meter, so dass durchaus auch 15 oder 18 Schaufeln einsetzbar wären.
Die Schlitze stellen Engpässe dar. Analog dazu könnte die minimale Querschnittsfläche im Bereich (A) der Pumpe angelegt werden. Bei einem Durchmesser von z.B. 0.65 m ist der Umfang rund 2.0 m. Der um die Pumpe umlaufende Auslass müsste also 0.06 m breit sein, um ebenfalls obige Querschnittsfläche von 0.12 m^2 zu ergeben. Dieser Pumpen-Schlitz wäre damit entsprechender Engpass.
Bei 100 km/h erfährt ein kleines Flugzeug schon genügend Auftrieb, andererseits müssen normale Windkraftanlagen bei solchem Sturm schon die Arbeit einstellen. Hier aber ist Wind von 100 km/h bzw. Strömungsgeschwindigkeit von 27.5 m/s durchaus machbar. Die Pumpe mit ihren 2 m Umfang müsste dazu mindesten 14 bis 20 mal je Sekunde rotieren, also mit rund 1200 rpm gefahren werden.
Wenn diese Geschwindigkeit an den Engpässen mit ihren Querschnittsflächen von 0.12 m^2 anliegt, sind 3.3 m^3/s umzuwälzen bzw. je Stunde etwa 12000 m^3. Für dieses Fördervolumen empfehlen Hersteller die Installation von Pumpen mit etwa 5 bis 7.5 kW, je nach gewünschter Druck-Erhöhung (wobei 30 bis 50 % Verlust eingerechnet sind).
Druckdifferenz
Die Formel für kinetischen (Stau-) Druck einer Strömung lautet: Dichte mal 0.5 mal Geschwindigkeit im Quadrat. Die Dichte der Luft ist etwa 1.2 kg/m^3 bzw. 12 N/m^3. Bei voriger Geschwindigkeit von 27.5 m/s ergibt sich ein kinetischer Druck von 4537.5 N/m^2, der in allen Engpässen ansteht.
Da die Summe aus kinetischem und statischem Druck einer Strömung als konstant gilt, liegt entlang der Vorderseite der Schaufeln entsprechend geringerer statischer Druck an. Bezogen auf die 1.5 m^2 wirksame Gesamtfläche aller Schaufeln ergeben sich dann rund 6800 N - denen der obige Aufwand zur Erzeugung des ´künstlichen´ Winds gegenüber steht - rechnerisch vermutlich ein Null-Summen-Spiel.
Die vorigen 27.5 m/s sind durchschnittliche Geschwindigkeit der Strömung in der Pumpe, in den Schlitzen und entlang der Schaufeloberfläche. Die Strömung zwischen den Schlitzen entlang der Oberfläche ist jedoch keinesfalls in allen Luftschichten gleich schnell, sondern höchst unterschiedlich aufgrund der fortwährend zunehmenden Krümmung. Die Schlitze wurden mit 4 cm Breite unterstellt, aber in der 1 cm breiten Luftschicht direkt entlang der Oberfläche wird die Strömung mit großer Wahrscheinlichkeit 1.5 mal schneller als der Durchschnitt sein.
Anstatt voriger 27.5 m/s wird an den Oberflächen eine Geschwindigkeit von rund 40 m/s gegeben sein. Da der Druck im Quadrat mit der Geschwindigkeit anwächst, ist der kinetische Druck nun 9600 N/m^2 bzw. wird die gesamte Oberfläche um 14400 N entlastet gegenüber normalem atmosphärischen Druck.
Optimierung
In Bild 05.06.04 ist eine optimierte Form dieser Konzeption dargestellt, wenngleich noch immer nur schematisch. Natürlich müssten alle Ecken und Kanten strömungsgünstig geformt sein, z.B. müssen am inneren Schlitz die Oberflächen weiter in den Innenraum hinein geführt sein, an den Vorderkanten der Schlitze müssen Abrisskanten sowie Rundungen zur Umlenkung der Nebenströmung angebracht sein - eben so wie in guter Strömungstechnik üblich.
Links oben in diesem Bild ist im Querschnitt eine Hälfte des Rotors dargestellt, nun mit 18 Schaufeln (S). Der Raum zwischen den Schaufeln ist ´quadratisch´, d.h. die Distanz zwischen Hinter- und Vorderseite dürfte auch bei diesen eng stehenden Schaufeln groß genug sein. Auf gleichem Raum ist also durchaus mehr wirksame Fläche zu installieren (mit entsprechend höherem Drehmoment).
Rechts im Längsschnitt ist die rechte Rotorscheibe wieder konisch angestellt und der Zufluss (A) zur Pumpe ist nun ganz im Rotor (R, rot) integriert. Die Pumpe (P, gelb) ist nurmehr eine Scheibe konkaver Oberfläche, die nur aufgeraut oder auch mit üblichen Schaufeln bestückt sein kann. Sie gleitet entlang der äußeren Rotorscheibe, so dass praktisch keine Dichtungs-Probleme gegeben sind.
Links unten ist ein Querschnitt durch die Pumpe (P) dargestellt, wobei sechs Schaufeln skizziert sind. Um die Pumpe herum ist die (halbe) Rotoraußenseite sichtbar, auf der ebenfalls einige Schaufeln (N) installiert sind. Die Strömung aus der Pumpe heraus weist sehr viel mehr in vorliche Richtung als die langsamer drehenden Schaufeln des Rotors.
Wenn eine Umdrehung des Rotors je Sekunde unterstellt wird, bewegt er sich bei 4 m Durchmesser außen mit etwa 12 m/s. Durch die Umlenkung nach außen wird die Strömung aus dem Auslass nicht verzögert, wohl aber kann ihre tangentiale Bewegungskomponente von z.B. 20 m/s auf diese 12 m/s reduziert werden, d.h. etwa ein Viertel des Energie-Verbrauchs der Pumpe kann zurück gewonnen werden.
Die optimierte Version dieser Maschine wird eine konstante Relation zwischen Rotor- und Pumpen-Drehzahl aufweisen. Der Antrieb der Pumpe muss dann nicht mehr per Elektromotor, sondern kann über ein Getriebe erfolgen. Dieses Getriebe sowie ein Motor/Generator (O, grün) sind im Längsschnitt rechts schematisch dargestellt. Beim Starten wird über den Motor die Drehzahl hoch gefahren, im laufenden Betrieb wird der Überschuss durch den Generator verwertet.
Durch solche Maßnahmen der Optimierung wird der Energie-Einsatz um ein Drittel niedriger sein als bei normalen Anwendungen der Luftumwälzung und damit der Wirkungsgrad weit über 100 Prozent liegen, d.h. diese Maschine wird autonom laufen und freie Energie abgeben in beachtlichem Umfang.
Ziel Faktor 50
Ich sehe deutlich das mitleidige Lächeln aller Profies über solch naives Geplapper und höre den Ratschlag, doch erst einmal hundert Bücher zur Strömungslehre zu studieren - sofern in der Lage ein dreifach geschachteltes Integral überhaupt verstehen zu können. Tatsächlich ist ein wunderschönes Gebäude von Formeln aufgetürmt, eine aus anderen abgeleitet - und letztlich basierend auf dem Gesetz der Energie-Konstanz (oft ´Kontinuität´ genannt).
Überall wird mit Drücken und praktisch mit der Mechanik von Festkörpern gerechnet. Nirgendwo tritt die Energie molekularer Bewegung auf (außer als Verlust-Wärme, wiederum analog zur Mechanik gedacht) und schon gar nicht deren Nutzung mittels Sog diskutiert. Taugliche Strömungsmaschinen wurden durch Try-and-Error entwickelt - und dann erst kam das Nach-Rechnen (so wie langwieriges und fehlerhaftes Nach-Denken erst möglich ist über eine Idee, die jedem mühelos und augenblicklich ´zu-fällt´).
Höchst wirkungsvolle Maschinen sind z.B. Segelflugzeuge, die nicht vom Himmel fallen sondern gleiten, 50 m weit bei nur 1 m Verlust an Höhe. Dieses ´verzögerte Fallen´ ist nur notwendig, um den Widerstand gegen die Vorwärtsbewegung zu kompensieren, so dass ´Wind´ relativ zur Tragfläche kontinuierlich gegeben ist. Der Auftrieb ist völlig kostenlos. Das ist die Meßlatte für Ingenieure: 50:1, und nicht das als unerreichbar geltende 1:1. Es geht hier nicht um 1:1-Energie-Transformation, sondern um Nutzung von Nebeneffekten frei verfügbarer Kräfte, die durch ´billige Tricks´ (zur Organisation von Bewegungsprozessen) zustande kommen. Die totale Energie-Konstanz ist überhaupt nicht tangiert, wenn Windräder mit ´eigenem´ Wind fortwährend drehen und darüber hinaus ´freie´ Energie liefern.
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