Im Juli 2023 nahm das Ingenieurteam von Kitekraft unsere aktuelle Entwicklungsplattform im Maßstab 1:4 im Verlgeich zum 100kW Produkt mit in den Windkanal, um die aerodynamischen Aspekte der fliegenden Windkraftanlage zu untersuchen: Schweben bei starkem Wind und die Leistung der selbst entwickelten Rotoren, die aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK) hergestellt wurden. Beide Untersuchungen konnten, wie im Folgenden beschrieben, mit positiven Ergebnissen abgeschlossen werden.
Zunächst werden Erläuterungen zu den Schwebeflügen gegeben.
Während der Betriebsmodus (Achtenflug) der fliegenden Windturbine von Kitekraft bereits durch Windkanaltests und tatsächliche Flüge (wie diesen) nachgewiesen wurde, war eine umfassende Bewertung des Schwebeflugmodus bei starkem Wind noch nicht erfolgt. Diese Betriebsart ist entscheidend für Start und Landung bei starkem Wind.
Um weitere Erkenntnisse über dieses Verhalten zu gewinnen, wurden zwei Testaufbauten im Windkanal untersucht, von denen einer in der Abbildung unten dargestellt ist. Auf der linken Seite ist der Aufbau zur Messung der aerodynamischen Koeffizienten des Drachens zu sehen. Für diese Messungen wurden das Leitwerk und die Andocklanzen entfernt, und das verbleibende Fachwerk wurde auf einem Messschaft montiert. Dieser Messschaft enthält ein Messgerät für die Kraft- und Momentanalyse und kann in Bezug auf die Luftströmung des Windkanals (von rechts nach links) geneigt und gegiert werden. Die daraus resultierenden aerodynamischen Koeffizienten werden verwendet, um das aerodynamische Echtzeitmodell weiterzuentwickeln, mit dessen Hilfe der Drachen in der Luft navigiert werden kann (lesen Sie hier mehr darüber).
Neben quantitativen Messungen wurde eine Rauchsonde verwendet, um das Strömungsverhalten um den Drachen herum qualitativ zu analysieren. Dies ist im rechten Bild der obigen Abbildung zu sehen, wo eine Strömung von 5,2m/s vorhanden war, wie im grünen Feld in der oberen rechten Ecke angegeben. Es ist zu erkennen, dass der Rauch von den Rotoren über die Flügel und deren Steuerflächen, die Klappen, die so eingestellt werden können, dass sie den Luftstrom in verschiedenen Winkeln ablenken, nach unten gedrückt wird. Dieser Effekt wird während des Schwebefluges genutzt, um den Drachen in Gierrichtung zu steuern, wobei die Kontroll-Autorität nur dann gegeben ist, wenn die Strömung über diese Steuerflächen gedrückt wird.
Bei mehr Wind wird der Rauch weiter stromabwärts (auf die linke Seite des Bildes) geschoben, was zu einer Beeinträchtigung der Kontroll-Autorität führen kann. Diese Konfiguration wurde mit einer Windgeschwindigkeit von bis zu 20 m/s getestet, und es konnte gezeigt werden, dass der Nebel immer noch über die Klappen des oberen Flügels geschoben wurde, was bedeutet, dass das System immer noch genügend Kontroll-Autorität hat, um kontrolliert zu navigieren.
Doppeldecker-Struktur geeignet für Schweben in hohen Windgeschwindigkeiten.
Der zweite Testaufbau mit dem Drachen ist auf dem Bild unten zu sehen. Der Messschaft wurde entfernt und der Drachen hielt sich mit Hilfe der eingebauten Rotoren selbst in der Luft, genau wie beim Start oder bei der Landung. Am rechten Rand des Bildes ist ein Seil zu sehen, das die Leine (die mechanische Verbindung zur Bodenstation) nachahmt. Außerdem wurden mehrere Sicherheitsseile am Drachen befestigt, um eine Beschädigung des Drachens im Falle einer Notabschaltung zu vermeiden. Anstelle des eigentlichen Leitwerks wurde diesmal ein Emulator daran befestigt, um die dynamischen Eigenschaften des Drachens ähnlich wie bei der tatsächlichen Flugkonfiguration zu halten.
Es wurden verschiedene Windgeschwindigkeiten getestet, angefangen bei 0 m/s bis hin zu 20 m/s. Im obigen Bild beträgt die Windgeschwindigkeit 10,2 m/s, wie wieder in der grünen Box auf dem Display in der oberen rechten Ecke angezeigt. Der Drachen blieb bei jeder Windgeschwindigkeit stabil im Schwebeflug. Damit konnte gezeigt werden, dass das System in seiner damaligen Konfiguration bereits in der Lage war, sich bei starkem Wind von der Bodenstation abzukoppeln und anzudocken. Die Leistung wird sich in naher Zukunft noch weiter verbessern, wenn die Ergebnisse der oben beschriebenen, ersten Tests mit Fixierung am Messschaft in die Steuerungssoftware des Drachens einfließen.
Kitekraft System zeigt volle Kontroll-Autorität im Schweben in hohen Windgeschwindigkeiten.
Die zweite Serie von Testläufen konzentrierte sich auf das Vermessen der Leistung verschiedener Rotorkonfigurationen, wie in der Abbildung unten dargestellt. Auf der linken Seite ist einer der CFK-Rotoren zu sehen, die von Kitekraft optimiert wurden. Diese Rotoren bestehen aus verschiedenen symmetrischen Tragflächenquerschnitten und wurden sowohl für den motorischen als auch für den generativen Modus optimiert.
Auf der rechten Seite ist einer der derzeit verwendeten Spritzgussrotoren mit zwei Blättern zu sehen. Dieser Rotor wurde auch in gestapelten Konfigurationen getestet, bei denen zwei oder drei dieser zweiblättrigen Rotoren gleichzeitig eingesetzt wurden, was zu einer vier- bzw. sechsblättrigen Anordnung führte.
Alle Rotoren wurden bei Drehzahlen von bis zu 8000 Umdrehungen pro Minute (Spitzen-Machzahl von etwa 0,54) und verschiedenen Fluggeschwindigkeiten getestet. Die CFK-Rotoren und die sechsblättrige Konfiguration der spritzgegossenen Rotoren erzeugten bereits bei niedrigeren Drehzahlen den gleichen Schub, was für die Lärmreduzierung von Vorteil ist. Während die Anlagen von Kitekraft in naher Zukunft definitiv mit maßgeschneiderten Rotoren ausgestattet werden, könnte eine solche gestapelte Konfiguration als wirtschaftliche Alternative genutzt werden, um die Leistung zu verbessern und die Lärmemissionen unseres aktuellen Demonstrators sofort zu reduzieren (siehe auch: How to Develop Flying Wind Turbines Quickly and Cost-Efficiently?).
Die Effizienz der eigens optimierten Rotoren liegt bei über 80% - ein sehr guter Wert.
Der Wirkungsgrad der CFK-Rotoren wurde mit Werten von über 80 % gemessen. Dies ist ein sehr guter Wert und steht als Beweis für Kitekrafts hauseigene Optimierungsalgorithmen, die für die Auslegung zukünftiger Systemgrößen von großem Wert sein werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die durchgeführten Tests und die gewonnenen Erkenntnisse einen wichtigen Meilenstein auf dem Weg zu einem robusten fliegenden Windenergiesystem darstellen. Erstens wurde nachgewiesen, dass der Drachen bei starkem Wind stabil schweben kann, um zu starten und zu landen. Zweitens wurde gezeigt, dass die neu optimierten Propeller von Kitekraft effizient arbeiten.
