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Entwicklung eines mobilen, hydrokinetischen Kleinstenergiewandlers für den Einsatz in Schwellen- und Entwicklungsländern

Ruff, Robin (2022):
Entwicklung eines mobilen, hydrokinetischen Kleinstenergiewandlers für den Einsatz in Schwellen- und Entwicklungsländern. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021603,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Entwicklung eines mobilen, hydrokinetischen Kleinstenergiewandlers für den Einsatz in Schwellen- und Entwicklungsländern
Language: German
Abstract:

Ein zuverlässiger Zugang zu Energie trägt maßgeblich dazu bei, die Lebensqualität zu sichern und den Wohlstand zu fördern. Dementsprechend sieht das siebte Ziel für nachhaltige Entwicklung der Vereinten Nationen den Zugang zu bezahlbarer, verlässlicher, nachhaltiger und zeitgemäßer Energie für die gesamte Weltbevölkerung bis 2030 vor. Eine besondere Rolle spielt dabei die elektrische Energie, da sie zum Betrieb zahlreicher Geräte, Maschinen und Anlagen sowie für das Funktionieren von Kommunikationskanälen und Datennetzen unerlässlich ist.

Im Rahmen des hier bearbeiteten und vorgestellten Forschungsprojektes werden Einsatzmöglichkeiten einfach-modularer und kostengünstiger hydrokinetischer Kleinstturbinen zur Erreichung dezentraler Energieversorgungen untersucht. Ziel ist hierbei nicht die Bereitstellung großer elektrischer Leistungen und das Erreichen hoher Wirkungsgrade, sondern die Verfügbarmachung kleiner, dringend ortsnah benötigter elektrischer Energiemengen mittels niedrigschwelliger Einfachsttechnologie. Besonders im ländlichen Raum von Schwellen- und Entwicklungsländern ermöglichen bereits geringe Mengen an elektrischem Strom den Betrieb von Telekommunikation und Internet und gewährleisten somit einen wichtigen sozialen Anschluss, als auch die Möglichkeit zur Weiterbildung und zum Betreiben von Handel. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Turbinenbauweisen liefern eben diese benötigten Mindestenergiemengen, lassen sich aus vor Ort leicht verfügbaren, kostengünstigen und robusten Bauteilen ohne besondere handwerkliche und maschinenbautechnische Vorkenntnisse anfertigen und mobil in Gewässerläufen und Kanälen installieren sowie betreiben. Hierfür wurden zunächst potentielle Komponenten auf ihre Eignung für den Einsatz als Turbinenbauteile untersucht und basierend auf den Ergebnissen ein Prototyp entwickelt. Mittels Untersuchungen, welche im wasserbaulichen Forschungslabor des Fachgebiets für Wasserbau und Hydraulik an der TU Darmstadt durchgeführt wurden, konnte das Leistungsverhalten des entwickelten Prototyps analysiert und optimiert werden. Hierbei wurden zunächst an der Schnitt-stelle zwischen Maschinenbau und Elektrotechnik Parameter korreliert und zugehörige Kennlinien zur technischen Auslegung und Leistungsbewertung ermittelt, aus denen u.a. auch Mindestanforderungen zur Betriebsfähigkeit und damit Anforderungen bzgl. möglicher Einbaustandorte hervorgehen. Ausgehend davon, wurde der Einfluss hydraulischer Randbedingungen, wie Durchflussmenge und Anströmgeschwindigkeit, auf die Leistungsfähigkeit der Turbine untersucht. Hieraus ergaben sich weitere Optimierungen, beispielsweise bezüglich der Rotorblattgeometrie oder dem optionalen Hinzufügen einer modularen Ummantelung der Turbine. Zu-dem wurde untersucht, inwieweit sich mittels einfachster modularer und möglichst aufstaufreier Gerinneeinbauten die Anströmung der Turbine fokussieren lässt und auch damit eine Leistungssteigerung erreicht werden kann.

Die Untersuchungen ergaben, dass sich mithilfe des entwickelten Prototyps für realistische hydraulische Randbedingungen, wie sie sich in kleinen Fließgewässern und Bewässerungskanälen häufig finden lassen, eine elektrische Leistung von ca. 40 – 50 Watt zuverlässig bereitstellen lässt. Damit lässt sich eine grundlegende Energieversorgung der Stufen 2 bzw. 3 gemäß Multi-Tier-Framework der Weltbank realisieren. Die geringe elektrische Leistung trägt bereits dazu bei, den Lebensstandard und Wohlstand in Entwicklungsländern maßgeblich zu fördern: Hiermit lässt sich der Zugang zu Telekommunikation, das Laden von Mobilfunkgeräten, eine umfassende Beleuchtung oder der Betrieb von Computern und Kühlgeräten realisieren. Die so bereitgestellte Energie trägt also dazu bei, Menschen in abgelegenen ruralen Gebieten den Zugang zu elektrischer Energie zu ermöglichen und damit zur Erreichung des von den vereinten Nationen definierten Entwicklungszieles beizutragen.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Reliable access to energy plays a key role in improving the quality of life and promoting prosperity. Accordingly, the United Nations' seventh Sustainable Development Goal calls for access to affordable, reliable, sustainable and timely energy for the entire world population by 2030. Electrical energy plays a particularly important role in this, as it is essential for the operation of numerous devices, machines and systems, as well as for the functioning of communication channels and data networks. Within the scope of the research project presented here, possible applications of simple-modular, low-cost hydrokinetic microturbines for achieving decentralized energy supplies are being investigated. The aim is not to provide large electrical outputs and achieve high efficiencies, but to make available small amounts of electrical energy that are urgently needed locally by means of simple, low-threshold technology. Particularly in rural areas of newly industrializing and developing countries, even small amounts of electricity enable the operation of telecommuni-cations and the Internet and thus guarantee an important social connection as well as the possibility of further education and the operation of trade. The turbine designs developed within the scope of this work provide just these required minimum amounts of energy, can be manufactured from easily available, inexpensive and robust components on site without any special prior knowledge of craftsmanship and mechanical engineering, and can be installed and operated in watercourses and canals in a mobile manner.

For this purpose, potential components were first examined for their suitability for use as turbine components and a prototype was developed based on the results. By means of investiga-tions carried out in the hydraulic engineering research laboratory of the Department of Hydraulic Engineering and Hydraulics at Technical University of Darmstadt, it was possible to analyze and optimize the performance of the developed prototype. First of all, parameters were correlated at the interface between mechanical and electrical engineering and associated characteristic curves for technical design and performance evaluation were determined, from which, among other things, minimum requirements for operational capability and thus requirements regarding possible installation locations were derived. Based on this, the influence of hydraulic boundary conditions, such as flow rate and inflow velocity, on the performance of the turbine was investigated. This resulted in further optimizations, for example with regard to the rotor blade geometry or the optional addition of a modular turbine shroud. In addition, the extent to which the inflow of the turbine can be focused by means of the simplest modular and, as far as possible, impoundment-free channel installations was investigated, and to what extent this can also lead to an increase in performance.

The investigations found that, with the aid of the prototype developed, an electrical output of approx. 40 - 50 watts can be reliably provided for realistic hydraulic boundary conditions, such as are frequently found in small watercourses and irrigation channels. This allows a basic energy supply of level 2 or 3 according to the multi-tier framework of the World Bank. The low electrical power already contributes significantly to the standard of living and prosperity in developing countries: It can be used to provide access to telecommunications, charge cell phones, provide comprehensive lighting, or run computers and refrigerators. The energy provided in this way thus helps to give people in remote rural areas access to electrical energy and thus contributes to achieving the development goal defined by the United Nations.

English
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XI, 140, A-19 Seiten
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute of Hydraulic and Water Resources Engineering > Hydraulic Engineering
Date Deposited: 02 Sep 2022 09:47
Last Modified: 05 Sep 2022 06:09
DOI: 10.26083/tuprints-00021603
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-216032
Referees: Lehmann, Prof. Dr. Boris ; Linke, Prof. Dr. Hans-Joachim
Date of oral examination: 13 June 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21603
PPN: 498897648
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