Es ist nicht ungewöhnlich, Solarmodule auf Häusern installiert zu sehen. Warum nicht Windturbinen?
Erfinder Helmuth Geiser aus Fort Myers, Florida, hielt dies für eine interessante Frage, und mit Hilfe der parametrischen Modellierung mit Alibre Design bietet sein Unternehmen nun eine Reihe von Kleinwindturbinen an, die der Solartechnologie Konkurrenz machen.
„Ich begann, die Effizienz und die Preise von Solar- und Windkraftanlagen zu recherchieren, und stellte schnell fest, dass Photovoltaikanlagen im Vergleich zu Wind sehr teuer waren. Die installierten Kosten pro Kilowatt für Solarsysteme liegen etwa 3 bis 4 Mal höher.“
Turbinen, wie wir sie in Windparks entlang der Autobahn sehen, können ein bis sieben Megawatt erzeugen. Finanziert und im Besitz von Versorgungsunternehmen können diese "Megawatt"-Turbinen genauso groß - und teuer - sein wie Flugzeugtriebwerke. Kleinere Turbinen, die eine Leistung von 1 bis 100 Kilowatt erzeugen, schienen für Geiser ein Weg zu sein, erneuerbare Energien für Einzelpersonen zugänglicher zu machen.
Geiser sagt, dass in Europa Generatoren in dieser „Kleinwind“-Kategorie stärker genutzt werden. Auch in den USA haben kleine Turbinen eine lange Geschichte, obwohl sie hauptsächlich auf landwirtschaftlichen Flächen oder anderen abgelegenen Gebieten beschränkt waren, die nicht leicht an das Stromnetz angeschlossen werden konnten. Traditionell pumpten Turbinen Wasser für die Bewässerung oder Viehtränken oder versorgten abgelegene Kommunikationstürme mit Strom.
"Als ich mit meiner Forschung begann, stellte ich fest, dass bestehende Kleinwindprodukte auf veralteten Technologien basierten, einige sogar aus den 1930er Jahren. Diese hatten bei weitem nicht die Effizienz oder Zuverlässigkeit, die sie zu praktischen Lösungen für den Haushaltsstrom machen würden."
Geiser machte sich daran, das traditionelle Design zu verbessern und führte drei wichtige mechanische Innovationen ein. Jetzt ist Scaled Energy - eine von Geiser und dem Elektroingenieur Syd Wells gegründete LLC - mit einer neuen Produktlinie in Produktion, die es Hausbesitzern ermöglicht, kostenlosen Strom aus der Luft zu erzeugen.
"Die Produkte von Scaled Energy erhöhen die Effizienz um mehr als 75% bei vergleichbaren Kosten zu bestehenden Kleinwindturbinen-Designs", sagt Geiser.
Die gesteigerte Effizienz bedeutet auch, dass das Produkt in vielen weiteren Gebieten einsetzbar ist, selbst in solchen, die nicht als windig gelten würden. "Andere kleine Turbinen können beispielsweise nicht in Gebieten der Windzone zwei eingesetzt werden, da sie nicht genügend Energie erzeugen würden, aber mit dem Produkt von Scaled Energy können sie das."
Geiser führte all sein „Tüfteln“ sowie das Erstellen der endgültigen Fertigungsmontagen mit der parametrischen Modellierungsanwendung von Alibre Design durch. Geiser sagt, dass die Software entscheidend dafür war, eine interessante Frage in ein echtes Fertigungsgeschäft zu verwandeln.
Über das Erstellen virtueller Baugruppen hinaus ermöglichten andere Module, wie Alibre Motion, Geiser, die beweglichen Teile mit Animation zu testen. Ebenso wurde Alibre CAM verwendet, um seine Entwürfe in präzise Maschinenschnittwege umzuwandeln.
"Alibre Design bietet eine gute Kombination aus Softwarefähigkeit, Benutzerfreundlichkeit und nicht zuletzt Preis. Ich habe Alibre bereits vielen Erfinderfreunden bei der Edison Inventors Association (EIA) empfohlen und werde dies weiterhin tun", sagt Geiser. "Im Rückblick glaube ich nicht, dass ich dieses Projekt in so kurzer Zeit und mit dieser Präzision ohne Alibre Design hätte durchführen können. Alibre Design leistet mehr für weniger - sowohl in Zeit als auch in Geld."
Wie machen Geisers drei wichtige Verbesserungen am Kleinwindturbinendesign sie für den Hausgebrauch geeignet?
Zuerst überarbeitete Geiser den pitch-regulierenden Naben, das Gerät, das den Anstellwinkel der Blätter ändert, um die maximale Leistung aus den unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Luftbewegungen zu extrahieren. Alte Methoden verlassen sich auf das Einrollen und Bremsen, um eine Zerstörung der Turbine zu vermeiden, wenn der Wind zu stark weht.
"Da die Blätter dieser alten Turbinentypen eine feste Neigung haben, arbeiten sie nur in einem sehr kleinen Windgeschwindigkeitsbereich", sagt er. Stattdessen entwickelte Geiser einen ausgeklügelteren, aber dennoch kostengünstigen Mechanismus, der die Nabe nur durch den Luftdruck auf den Blättern steuert und damit den Arbeitsbereich erweitert.
Zweitens wird auch der Geschwindigkeitsregler überarbeitet. Dieser Mechanismus macht die Bewegungseingabe zum Generator gleichmäßiger. Geiser sagt, dass der "direkt angetriebene" Eingang der größte Wirkungsgradverlust bei landwirtschaftlichen Turbinen war. Fügt man noch hocheffiziente Rotorblätter hinzu, erzeugt die Scaled Energy-Turbine wesentlich mehr Strom bei gleicher Windmenge.
Geiser berücksichtigte auch Installations- und Wartungskosten. Auf dem Ackerland konnte man mit Hilfe von schwerem Gerät einen hohen, sperrigen Mast errichten. Städtischere Standorte hätten nicht den Luxus von freiem Raum. „So entstand die Idee eines klappbaren Mastes“, sagt Geiser. „Hausbesitzer können die Turbine mit dem hydraulisch betriebenen ausfahrbaren Mast anheben und absenken. Die Wartung des Geräts ist auch weniger arbeitsintensiv und weniger gefährlich als bei traditionellen Stützmasten.“
Die fortschrittlichste Produktlinie von Scaled Energy wird in Kürze auf den Markt kommen. Wie schneidet die neueste Version in wirtschaftlicher Hinsicht ab?
Geiser schätzt, dass eine 10-Kilowatt-Turbine etwa 500 Dollar an Strom pro Monat erzeugen könnte, basierend auf den Preisen in Florida, so dass die meisten Käufer die Rendite ihrer Investition (ROI) bei einem 45.000-Dollar-System innerhalb von 7 1/2 Jahren sehen können, ohne mögliche Steuervorteile zu berücksichtigen.
"Mit Verbesserungen in Effizienz, Haltbarkeit und einfacher Installation machen diese Turbinen Wind zu einer praktikablen Quelle für alternative Energie."
