Einleitung

Der WinZyG ist aus der Idee entstanden, eine möglichst einfaches, leistbares und vor allem nicht zu große Windmaschine zu erzeugen. Die Vision dazu, wie diese Systeme in Zukunft auch baulich integriert werden können, sieht man an den folgenden Bildern (Fotomontagen).

In Dachgauben

In Rundfenstern

Einige der Zeichnungen und Grafiken sind sehr einfach und vermögen oft nicht die tatsächliche räumliche Form zu zeigen. Allerdings sind die Skizzen auch meist während der Zug-Fahrt entstanden und die Zeichnung der 3-dimensional gekrümmten Objekte mit einem CAD-Programm überstieg dann doch unsere Fähigkeiten.

Grundprinzip

Das Grundprinzip von WinZyG basiert auf einem Trichter, der den Wind einfängt, durch einen engeren Querschnitt zwingt und der so beschleunigte Wind ein Turbine antreibt. Die hier gezeigte Prinzipskizze ist eine extrem vereinfachte, schematische Darstellung. In dieser Darstellung findet man auch noch keinen weiter unten beschriebenen Vorverwirbler und die Leitschaufeln zur Zyklonerzeugung sind in Wirklichkeit viel komplexer und wurden hier zum besseren Verständnis in Form einer immer kleiner werdenden Schnecke dargestellt.
Um sich einmal in die Thematik Windenergie, Windkonzentration und Trichter einzulesen gibt es eine gute Präsentation (http://www.bionik.tu-berlin.de/institut/skript/B1Fol3.ppt) zur Vorlesung Bionik 1 an der TU-Berlin von Ingo Rechenberg.
Dort wird beschrieben, dass es rein rechnerisch bei einer Verjüngung des Trichters auf ein Viertel der Fläche zu einer Vervierfachung der Geschwindigkeit kommen müsste. Allerdings wird auch beschrieben, dass ein Großteil des Trichters aufgrund des Staudrucks umströmt wird.
Mit einem einfachen Trichter und ohne weiteres Zutun ist das also nicht möglich.
An dieser Stelle kommen wieder Viktor Schaubergers Erkenntnisse ins Spiel. In der Natur wird die Konzentration von Medien, insbesondere beim Durchfließen immer enger werdender Querschnitte mit Hilfe von Wirbeln durchgeführt. Das hat erst einmal theoretisch folgende Auswirkungen auf den Trichter:

• Der Trichter muss ein bestimmte Form haben
• Im Trichter muss ein Wirbel (in weiterer Folge Zyklon genannt) erzeugt werden

Trichterform

Nach Viktor Schauberger liegt der natürlichen Form eines Zyklons die Formel 1/n*n=1 (für n=0 bis ∞) zu Grunde. Mathematisch heißt das x=1/y und y=1/x. Daraus entsteht ein Hyperbel die die optimale Trichterform beschreibt.
In der Praxis ist diese gesamte Form aber unmöglich nutzbar, da mit größer werdendem Radius auch die angeströmte Fläche nahezu im rechten Winkel zur Anströmrichtung stehen würde.
Deshalb kann die Hyperbelform nur bis zu einem bestimmten Anstellwinkel verwendet werden. Der Trichter im Prototyp ist somit eine Kombination dieser Hyperbel-Form mit der Form von einem Ei.

Auch die Ei-Form wurde von Viktor Schauberger immer wieder verwendet und auch speziell als Wasserverwirbler (siehe Bild) eingesetzt. Für die Berechnung der Ei-Form wurde eine im Internet entdeckte Näherungsformel verwendet. Sie lautet y=0,3373396*WURZEL(x*(x-6,1)*(x-8,1))

Varianten des Trichters

Variante 1 - Kegelabschnitt		Variante 2 - Ausschnitts aus dem hyperbolischen Trichter		Variante 3 - Kombination Hyperbolischer Trichter mit der Ei-Form
Die einfachste Form ist die in oben genannter Präsentation beschriebene Form eines abgeschnittenen Kegels. Nachteile: Sie entspricht nicht der Naturform und trägt somit nicht zum optimalen Ergebnis bei.		Die zweite Form ist ein gezielter Ausschnitt aus dem hyperbolischen Trichter. Der Ausschnitt muss so gewählt werden, dass das Verhältnis aus Eintrittsöffnung und Austrittsöffnung nicht zu groß ist, und dass der Anströmwinkel in der Eintrittsöffnung nicht zu steil ist. Vorteile: Diese Form begünstigt bereits die richtige Strömung Nachteile: Das maximal verwertbare Windvolumen wird dadurch alleine noch nicht gewährleistet.		Die dritte Form ist die bereits angesprochene Kombination aus hyperbolischem Trichter mit einer Ei-Form. Hierbei entstehen unzählige Kombinationsmöglichkeiten. Aus den Erkenntnissen des Prototyps hat sich aber gezeigt, dass der Ausschnitt des hyperbolischen Trichters eher aus dem zweiten Viertel (vom Austrittsdurchmesser gesehen) stammen sollte. Wenn nicht, ist das Verhältnis aus Einströmfläche zu Ausströmfläche zu groß, was wiederum Schwierigkeiten bei der Bildung der Zyklons zur Folge hat. Vorteile: Mit dieser Form können Windmenge und Zyklon-Strömung optimiert werden.

Hier gilt es noch experimentell die richtige Form zu finden.

Im Prototyp wurde die Variante 3 verwendet.

Zyklon

Im nächsten Schritt müssen im Trichter geeignete Leitvorrichtungen angebracht werden um einen möglichst naturnahen Wirbel zu erzeugen. Auch dabei stößt man schnell an gewisse Grenzen. Denn auf dem kurzen Weg von Trichtereingang bis Trichterausgang ist es wiederum unmöglich den Zyklon vollständig zu erzeugen.
Deshalb ist ein Vorverwirbler notwendig.

Varianten der Leitbleche im Trichter
Derzeit wurden drei Hauptvarianten in Erwägung gezogen.

Variante 1 - senkrechte Leitbleche		Variante 2 - sichelförmige Leitbleche		Variante 3 - Halbschalen		Variante 3a - Multiple Kreissektoren
Die Leitbleche verlaufen am Eintritts-querschnitt senkrecht zur Symmetrieachse und schrauben sich in Form eines Schneckengetriebes in Richtung immer enger werdender Querschnitt. Vorteile: Einfachste Bauweise. Nachteile: Die Strömungsfläche ist nahezu rechteckig und begünstigt daher die Rotationsbewegung nicht aller Luftteilchen optimal.		Die Leitbleche verlaufen von der Symmetrie-achse zum Außen-durchmesser hin sichelförmig und schrauben sich dann wiederum in Richtung immer enger werdender Querschnitt. Vorteile: Diese Form begünstigt die Bildung einer Doppelspiralraumkurve, da zur Schneckenform noch eine zusätzliche innere Drehung des Windes dazu kommt.		Die Leitbleche sind halbkreisförmig (wie z.B. eine Dachrinne) und sind an ihrem Scheitelpunkt mit dem Außenradius des Trichters verbunden. Zusätzlich schrauben auch sie sich in Richtung immer enger werdender Querschnitt. Vorteile: Diese Variante scheint optimal für die Begünstigung einer Doppelspiralraumkurve. Nachteile: Die Fertigung (Biegung) der Halbschalenelemente ist relativ aufwändig.		Nach dem Vorbild der Halbschalen gibt es noch eine Spezialvariante, die den Optimalfall darstellen dürfte. Statt der Halbkreise kommen Kreissektoren zu tragen die so in Richtung Symmetrieachse geöffnet sind, dass der nächste Kreissektor (mit kleinerem Radius) genau hinein passt. Natürlich muss sich das so entstehende Bündel auch wieder in Richtung immer enger werdenden Querschnitts schrauben. Vorteile: Diese Form ist nicht nur die beste Nachbildung der Strömungen in einem Zyklon, sondern sie begünstigt auch noch die innere Rotation der Doppelspiralraumkurve. Sie ist also eine Näherungsform zu Viktor Schaubergers Rohrquerschnitt, der einem Kudu-Horn nachgebildet wurde. Nachteile: Noch aufwändiger als die "einfachen" Halbschalen.

Im Prototyp wurde die Variante 3 verwendet.

Vorverwirbler

Der Vorverwirbler besteht prinzipiell aus einer Röhre und Leitvorrichtungen die dafür sorgen sollen, dass der einströmende Wind bereits in Rotation versetzt und Richtung Symmetrieachse konzentriert wird.
Dafür gibt es sicherlich ein Unmenge an Konstruktionsmöglichkeiten, wobei die Einfachste wiederum eine Ei-Form wäre.
Im Prototyp wurde eine Form gewählt, die von Prof. Fred Evert für eine kleine Windkraftanlage (siehe http://www.evert.de/eft281.htm entworfen wurde, wobei sie noch um Elemente ergänzt wurde, die für die Rotation sorgen.

Varianten der Vorverwirbelung

Variante 1 - Ei-Form		Variante 2 - Ei-Form in Kombination mit Tragflächen		Variante 3 - Windkonzentrator		Variante 4 - Kudu-Horn Bündel
Mit Hilfe der Ei-Form wird die einströmende Luft am Ende des Eis zusammengeführt. Vorteile: Absolut einfachste Konstruktion Nachteile: Je größer der Durchmesser des Eis im Verhältnis zum Röhrendurchmesser ist, umso eher kann es wieder dazu führen, dass es zu einem Luftstau kommt. Jene Luftteilchen, die am äußersten Radius der Röhre strömen, werden kaum berührt.		Diese Variante ist wie schon gesagt aus der Entwicklung von Prof. Evert entstanden. Hierbei werden um die Eiform herum radiale Ringkörper angebracht, deren Querschnitt der selbe wie der einer Flugzeugtragfläche ist. Das soll ein weiteres nach innen Drängen des Mediums begünstigen. Außerdem sind die Verbindungsstege so konstruiert, dass sie eine Vorrotation der Luft erzeugen sollen. Vorteile: Verbesserung der Ei-Form. Nachteile: Die Vorrotation ist noch nicht optimal		Wie bereits im oben genannter Präsentation der TU Berlin kann auch der dort entwickelte Windkonzentrator in die Röhre eingesetzt werden. Allerdings müssen einerseits die Schaufelräder so geformt werden, dass auch eine Rotation entsteht und andererseits der konzentrierte Wind am Innendruchmesser mit Hilfe eines gezogenen Rohres (ähnlich den Zügen in einem Gewehrlauf) in Rotation versetzt werden. Vorteile: Vorkonzentration des Windes Nachteile: Durch die notwendige Rotationsgebung des Windes im Bereich der Flügel könnte die Funktion des Windkonzentration verringert werden. Ein wenig aufwendigere Konstruktion zur Rotationsgebung.		Wie bereits bei der Regen-wasser-nutzung beschrieben, könnte auch hier ein Bündel aus verschrenkten Kudu-Horn-Rohren verwendet werden. Vorteile: Optimale Vorbeschleunigung Nachteile: Es könnte wiederum ein Staudruck an der Eintrittsöffnung entstehen.

Im Prototyp wurde Variante 2 verwendet.

Windturbine

Varianten der Windturbine

Variante 1 - Tesla-Turbine		Variante 2 - Tornado-Rotor		Variante 3 - Resonanzturbine
Ursprünglich war als Turbine eine Tesla-Turbine angedacht. Sie bringt mit relativ wenig Luftdruck erstaunlich hohe Drehzahlen (ca. 15.000 upm) zu Stande. Problem dieser Turbine ist das Drehmoment. Da die Tesla-Turbine mit bloßer Hand im vollen Lauf angehalten werden kann, reicht das Drehmoment für den Antrieb eines herkömmlichen Generators bei weitem nicht aus. Vorteile: Sehr einfache Bauweise Nachteile: Kaum Drehmoment vorhanden und dadurch müsste der Generator in die Turbine derart integriert sein, dass die Drehbewegung mit möglicherweise magnetischen Mitteln direkt zur Stromerzeugung verwendet wird.		Da die Tesla-Turbine mangels Drehmoment nicht verwendbar scheint, wurde eine spezielle Konstruktion ins Auge gefasst, die wiederum von Prof. Fred Evert unter http://www.evert.de/ap0712.htm (Energie aus Fliehkraft) und http://www.evert.de/ap0510.htm (Tornado Motor) zum Teil beschrieben sind. Die Herren Mazenauer und Clem haben sich dieses Prinzip des Fliehkraft-Rotors zu Nutze gemacht und erstaunliche Ergebnisse erzielt. Prinzipiell ist diese Turbine somit das genaue Gegenteil der Leitblech-Variante 3 zur Erzeugung des Zyklons. Optimaler Weise sollte diese Turbine (sobald die Turbine läuft) einen konstanten Sog erzeugen, der das Nachströmen der Luft auch bei nachlassendem Wind begünstigen soll. Vorteile: relativ einfache Bauweise Nachteile: Lärmentwicklung?		Die Firma RS Design hat eine Resonanzturbine entwickelt, die auch geeignet zu sein scheint. Nachzulesen unter http://www.r-s-design.com/RSD/RSDn/html/frameset.htm Vorteile: Kompakte Bauweise. Generator integriert Nachteile: Der Wirkungsgrad ist mit Wasser möglicher besser als mit komprimierbaren Medien. Der Notwendige konstante Luftdruck könnte ein Problem werden. Keine Bildung eines Sogs zur Begünstigung des Weiterlaufs.

Im Prototyp wird vorerst einmal mit einer selbst gebauten Tesla-Turbine begonnen. Danach soll Variante 2 getestet werden.