Konstruktionsprinzipien von Flugwindkraftwerken

Zur Erreichung der Höhenwinde wird das Flugwindkraftwerk im Gegensatz zu konventionellen Windrädern nicht auf einem Turm oder Mast befestigt. Bauwerke mit der Höhe von mehreren hundert Metern oder gar Kilometern sind nicht oder nicht mit vertretbarem Aufwand zu erstellen.

Flugwindkraftwerke basieren darauf, dass die Tragfläche lediglich von einem Seil oder Kabel gehalten wird. Das Flugwindkraftwerk fliegt an diesem Seil weil es leichter als Luft ist oder durch den Auftrieb des Windes in der Luft gehalten wird.

Leichter als Luft

Dabei ist einerseits zu unterscheiden zwischen ballonartigen, mit leichten Gasen gefüllten und damit ohne dynamischen Auftrieb schwebenden Flugwindkraftwerke, die leichter als Luft sind. Ein Beispiel für ein solches Konzept ist das Flugwindrad der Firma Magenn. Dies ist ein um die Längsachse drehbar gelagerter länglicher Ballon, der sich dank an der Längsseite angebrachter gewölbter Lamellen ähnlich wie ein Anemometer oder ein Savoniusrotor um die Längsachse dreht und so einen Generator antreibt.

Schwerer als Luft

Die Alternative hierzu sind Flugwindkraftwerke, die schwerer als Luft sind. Diese wandeln einen Teil der Windenergie in dynamischen Auftrieb um, der das Flugwindkraftwerk wie einen Drachen oder ein Kitesurfsegel in der Luft hält. Diese Systeme stellen einen erheblich höheren Anspruch an die Steuerung, da ein Steuerungsfehler zumeist zu einem Absturz führt.

Die vorgeschlagenen Systeme unterscheiden sich weiter darin, ob die Stromerzeugung in der Luft erfolgt und dann über Kabel oder auch kabellos zum Boden übertragen wird oder ob die Energie mechanisch zu dem Generator an der Bodenstation übertragen wird. Andere Typen leiten die Bewegungsenergie etwa über Seile oder Ketten zum Boden. Der Generator erzeugt den Strom dann am Boden.

Weiterhin ist zwischen Kraftwerken zu unterscheiden, die stationär über einem Ort fliegen oder schweben, sowie zwischen Kraftwerken, die dadurch die Energieausbeute erhöhen, dass sie möglichst schnell quer zum Wind fliegen (Cross-Wind Power), etwa in Kreisbewegungen oder in Form einer 8. Diese Flugmanöver, welche auch beim Kitesurfen verwendet werden, erhöhen die von der Tragfläche überstrichene Fläche, die relative Windgeschwindigkeit an der Tragfläche und die von dem Kraftwerk nutzbare Windenergie. Das dahinter liegende Prinzip lässt sich gut durch einen Vergleich mit konventionellen Windrädern erläutern. Bei diesen erzeugen die Spitzen des Windrades einen Großteil der gesamten Energie eines Windrades. Dies liegt daran, dass sich diese Spitzen extrem schnell im Kreis drehen und somit eine große Fläche überstreichen. Der Wind wird auf der gesamten überstrichenen Fläche abgebremst und nicht nur auf dem Kreisausschnitt, auf dem sich der Flügel gerade befindet. Konstrukteure solcher schnell fliegenden Flugwindkraftwerke haben das Ziel das Windkraftwerk auf diese effektiven, dann fliegenden Teile, zu reduzieren und dabei auf die schweren und teuren restlichen tragenden Teile wie die Blattmitten, die Nabe und den Mast, zu verzichten.

Konstruktive Unterschiede von Flugwindkraftwerken zu konventionellen Windkraftwerken

Bauart und Materialien

Der fliegende Teil eines Flugwindkraftwerks muss leicht gebaut werden. Um dies zu ermöglichen, sind neben der Wahl von textilen und flexiblen Baustoffen auch Konstruktionen zu wählen, die das Material in seiner vorteilhaftesten Art belasten. Dies bedeutet, dass möglichst nur Zugkräfte und Druckkräfte aber möglichst kaum Schwerkräfte auf die einzelnen Komponenten einwirken sollten. In konventionellen Windrädern herrschen aber gerade diese seitlichen Kräfte vor, so dass die Türme, Rotorblätter etc. äußerst stabil dimensioniert sein müssen, um diesen seitlichen Kräften standhalten zu können. Damit erhöht sich die erforderliche Masse dieser Komponenten um ein Vielfaches.

Schwerkräfte können durch Seilabspannungen, wie dies etwa bei Kites der Fall ist, nahezu vollständig vermieden werden. Abspannungen erhöhen jedoch den Luftwiderstand erheblich. Soweit durch schnellen Flug die Leistungsausbeute erhöht werden soll ist jedoch auf einen geringen Luftwiderstand bei hohem Auftrieb also einer hohen Gleitzahl zu achten. Daher besteht eine der Herausforderungen des Baus darin, bei dem Aufbau der Tragfläche ausreichend Stabilität bei geringem Gewicht und trotzdem geringem Luftwiderstand zu erreichen. Dafür können etwa aufblasbare Strukturen mit innenliegenden Seilabspannungen wie etwa Tensairity® verwandt werden.^[14]

Allerdings sind selbst mit handelsüblichen Surfkites, die aerodynamisch nicht optimal sind, beachtliche Leistungen von 30^[15] bzw. 40 kw^[13] errechnet bzw. erzielt worden.

Für die Seile wird zumeist Dyneema® verwandt^[16], wobei neue Materialien wie etwa Nanotubes die Leistungsfähigkeit und Einsatzmöglichkeiten von Flugwindkraftwerken erheblich erweitern könnten.

Steuerung und Kontrolle

Die autonome Steuerung der Flugwindkraftwerke sowie die Tatsache, dass diese im Gegensatz zu konventionellen Windkraftwerken frei im Raum fliegen, stellt eine der zentralen Herausforderungen bei der Entwicklung von Flugwindkraftwerken dar.^[17] Bisherige Entwicklungen sind primär an dieser Problematik gescheitert. Vielfältige Sensoren zur Messung möglichst vieler Parameter (Windgeschwindigkeit und Richtung, Lage, Geschwindigkeit relativ und absolut, Bewegungsrichtung, Seilspannung, Vibrationen etc.) müssen an einen Autopiloten weitergeleitet werden, der dann über eine Steuerungssoftware die richtigen Lenkmanöver durchführt. Die Software muss so beschaffen sein, dass sie einen möglichst sicheren Flug ermöglicht und dabei eine möglichst große Energieerzeugung fördert. Dabei stellen plötzliche und unvorhergesehene Änderungen der Windgeschwindigkeit und -richtung ein besonderes Problem dar. Herausforderungen bestehen auch in der Start- und Landephase, wobei eventuell eine gänzlich unterschiedliche Flugbewegung zum Normalbetrieb erforderlich ist.

Fehlende Möglichkeiten im Bereich der Sensorik und Rechnerkapazitäten stellten in früherer Zeit eines der größten Hindernisse beim Bau von Flugwindkraftwerken dar. In den letzten Jahren wurden in diesem Feld jedoch vielfältige Fortschritte gemacht, so dass nunmehr geeignete Sensoren preiswert zur Verfügung stehen. Mittlerweile werden selbst Mobiltelefone standardmäßig GPS Sensoren bzw. sogar Lagesensoren (etwa IPhone und Wii-Controller) ausgestattet.

Die eigentliche Flugsteuerung erfolgt dabei entweder wie bei einem Flugzeug durch verschiedene am Flugwindkraftwerk angebrachte (Höhen-, Seiten-, Quer-) Ruder, oder entsprechend der Steuerung bei Lenkdrachen und Kites durch die Verkürzung der Lenkschnüre und –seile und damit durch eine veränderte Anstellung der Tragfläche oder des Kites. Bei letzterer Variante können entweder jeweils alle Steuerseile von der Tragfläche zur Bodenstation geführt werden, wobei dann bei entsprechender Seillänge mit erhöhtem Luftwiderstand und mit verzögertem Ansprechen und weniger präzise Lenkanweisungen zu rechnen ist. Als Alternative bietet sich an, die Lenkseile an einem Lenkmodul unterhalb der Tragfläche zusammenzuführen. Die weitere Verbindung zur Bodenstation würde dann über ein einziges Seil erfolgen. Das Lenkmodul müsste dann aber zur Ausführung der Lenkbewegungen über eine Energiequelle verfügen. Diese müsste etwa über Akkumulatoren, ein in das Seil eingebautes Stromkabel^[18] oder durch kleine Windturbinen an dem Tragflügel, die den Arbeitsstrom erzeugen, erfolgen.

Stromerzeugung

Grundsätzlich kann die Stromerzeugung in der Luft erfolgen oder an der Bodenstation.

Stromerzeugung in der Luft

Zur Stromerzeugung in der Luft müssen grundsätzlich die potentiell schweren Stromgeneratoren in der Luft mitgeführt werden. Zum anderen muss eine Stromableitung zur Bodenstation erfolgen. In der Regel erfolgt die über ein in das Seil eingearbeitete Stromleitung. Denkbar wäre auch die Übertragung ohne Stromleitung etwa über Mirkowelle etc.

Denkbar wäre die Stromerzeugung in der Luft durch fliegende Windturbinen. Die fehlende Verankerung kann durch zwei gegenläufige Windräder auf einer Welle oder etwa durch mehrere kleinere Windräder ersetzt werden, die von einem Rahmen gehalten werden. Letzteres Konzept wird von Skywindpower verfolgt, deren Prototyp vier hubschrauberartige Rotoren aufweist.

Die Stromerzeugung in der Luft kann alternativ durch einen kleinen, wie bei einem Flugzeug senkrecht zur Tragfläche eingebauten Propeller mit angeschlossenem Generator erfolgen. Die Tragfläche fliegt dabei schnelle kreisförmige Bewegungen und wird durch den Antrieb von Propeller und Generator abgebremst. Dieses Konzept entspricht weitestgehend der Umsetzung der autarken Blattspitzen eines konventionellen Windrades. Einzig die Abbremsung erfolgt nicht durch Antrieb der zentralen Nabe eines Windrades, sondern durch die kleinen Propeller am Tragflügel. Sowohl Makani als auch Joby Energy verfolgen dieses Prinzip.

Ein Vorteil der meisten dieser Konstruktionen besteht darin, dass der Generator bei Flaute und für Start und Landungen als Motor genutzt werden kann. Der Vorschlag von Makani und Joby Energy sieht Start und Landung wie bei einem Hubschrauber vor, wobei Energie aufgewandt wird. Durch diese Möglichkeit ist bei diesen Varianten der Start und die sichere Landung bei Flaute autark möglich. Zudem erhöht sich bei manchen Varianten durch die Möglichkeit der Ansteuerung verschiedener Motoren eine erhöhte Manövrierbarkeit ähnlich einem mehrrotorigen Hubschrauber. In der Luft wird dann die beschriebene kreisförmige Bewegung zur Stromerzeugung durchgeführt.

Durch die Stromleitung zum Boden ist zudem die Energieversorgung der Sensoren und Steuerung des Tragflügels gesichert.

Stromerzeugung am Boden

Bei der Stromerzeugung am Boden befindet sich der Generator in der Bodenstation. Die Energie wird mechanisch, zumeist über Seile, von dem Tragflügel zur Bodenstation übertragen.

Die am meisten favorisierte Variante ist dabei die sogenannten Jo-Jo Konfiguration. Dabei wird der von dem Tragflügel erzeugte Auftrieb dazu verwandt, an dem Halteseil zu ziehen. Das Halteseil wird langsam freigelassen und treibt dabei an der Bodenstation über eine Seiltrommel einen Generator an. Sobald die Endposition erreicht ist, muss das Seil unter Aufwendung von Energie wieder eingezogen werden. Dabei wird der Tragflügel so gestellt, dass er einen möglichst geringen Luftwiderstand aufweist und somit nur wenig Zeit und Energie zum Einholen des Seils benötigt wird. Dann beginnt der Zyklus von vorne.

Andere Alternativen sehen vor, dass die Bewegungsenergie durch ein schnell drehendes Halteseil, welches somit als Welle dient, zum Boden übertragen wird.

Der Laddermill^[19] genannte Vorschlag des ehemaligen Space Shuttle Astronauten Wubbo Ockels, sieht für eine Kraftübertragung ähnlich einer Fahrradkette ein kreisförmiges Halteseil vor, an dem gleichmäßig mehrere Tragflügel verteilt sind. Während die an der dem Wind zugewandten Seite des Seils befindlichen Tragflügel so gestellt werden, dass sie Auftrieb erzeugen und das eine Ende des Seile nach oben ziehen, werden die anderen Tragflügel neutral eingestellt, so dass sie bei dem Absinken möglichst geringen Widerstand erzeugen. An der Bodenstation genannten Apparatur treibt das ständig drehende Seil wiederum einen Generator an.

Die Vorteile der Stromerzeugung am Boden sind das potentiell geringere Gewicht sowie die potentiell geringere Komplexität und Kosten des Tragflügels. Abstürze und Verschleiß würden somit geringere Kosten verursachen. Die Bodenstation mit dem Generator einer Jo-Jo Konfiguration könnte auch bei neuen Technologien im Tragflügelbau weiter verwendet werden. Eventuell wäre auch denkbar, je nach Windsituation Tragflügel mit verschiedener Größe oder aerodynamischen Eigenschaften zu verwenden oder bei Schwachwind den Generator mit mehreren Tragflächen anzutreiben. Die Nachteile sind in der für die Tragfläche benötigte Energieversorgung sowie die fehlende Möglichkeit des autonomen Starts und der Landung nach Hubschrauberprinzip zu sehen.