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Dokumentenidentifikation DE19844361A1 02.06.1999
Titel Künstlicher Windsurfsee
Anmelder Frieden, Peter, Dipl.-Ing., 50374 Erftstadt, DE
Erfinder Frieden, Peter, Dipl.-Ing., 50374 Erftstadt, DE
DE-Anmeldedatum 28.09.1998
DE-Aktenzeichen 19844361
Offenlegungstag 02.06.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 02.06.1999
IPC-Hauptklasse E02B 3/00
IPC-Nebenklasse E04H 3/14   B63B 35/79   A63C 19/00   
Zusammenfassung Ein See von geringer Wassertiefe wird zum Erzielen einer möglichst hohen Windgeschwindigkeit über der Wasserfläche möglichst hoch über dem Niveau des umliegenden Geländes in topographisch günstiger Position künstlich angelegt. Eine aerodynamisch gestaltete Überdachung in Verbindung mit Ventilatoren ermöglicht auch bei Windstille uneingeschränkten Surfbetrieb, wobei auf die energetische Optimierung der Winderzeugung besonderer Wert gelegt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen künstlich angelegten See sowie die damit in Verbindung stehenden technischen Bauwerke und Einrichtungen, die an die speziellen Belange des Windsurfsportes angepaßt sein sollen.

Vorbemerkung

Im Gegensatz zu vielen Sportarten wie Tennis, Golf, Reiten, Schwimmen, Wasserski, Eislaufen, Skifahren usw. bildet das Windsurfen eine der wenigen Ausnahmen, für die bislang noch keine speziell angepaßten Sportstätten gebaut wurden. Einziger Sonderfall das sog. "Indoor Surfen", bei dem einige wenige Weltklassefahrer innerhalb einer geschlossenen Halle auf äußerst eng begrenztem Raum Wettkämpfe austragen. Der notwendige Wind wird dabei künstlich durch Ventilatoren hergestellt.

Die breite Masse der aktiven Windsurfer hingegen mußte sich bisher mit den naturgegebenen Möglichkeiten abfinden und entweder erhebliche Anfahrtswege (mindestens bis zur nächsten Küste oder sogar in ein Starkwindgebiet wie z. B. Canarische Inseln) in Kauf nehmen oder aber schwere Kompromisse bezüglich der vorherrschenden Windverhältnisse in der näheren Umgebung in Kauf nehmen. Besonders schmerzlich sind die Surfer immer dann betroffen, wenn sie trotz langer und aufwendiger Anreise nur unzureichende Windverhältnisse vorfinden und auch das passiert leider relativ häufig, denn selbst in ausgewiesenen Starkwindgebieten gibt es keinerlei Garantie gegen tagelange Flauten.

Vor allem im Bereich von Ballungsgebieten, die weiter entfernt von der nächsten Küste gelegen sind, gibt es daher einen erheblichen Bedarf an schnell zu erreichenden Surfmöglichkeiten mit möglichst guten und zuverlässigen Windverhältnissen.

Der wesentliche Faktor, auf den es beim Windsurfen ankommt, ist die Windgeschwindigkeit. Die absolute Untergrenze für den Surfsport liegt bei ca. 4 Beaufort (endspricht ca. 6m/s) Windstärken und richtig rasant wird diese Sportart erst bei Windgeschwindigkeiten zwischen 5 und 6 Beaufort (8 bis 13 m/s).

Im Gegensatz zu Segelbooten, die als verdrängende Wasserfahrzeuge schon auf die kleinste Brise reagieren ist der moderne Surfsport bezüglich der Windgeschwindigkeit erheblich anspruchsvoller, denn nur die Gleitphase wird hier als eigentliches "Fahren" empfunden. Analog zu Motorbooten, die für die schnelle Gleitfahrt eine Mindest-Motorleistung benötigen, die ein Vielfaches dessen beträgt, was langsame Verdrängerfahrt erfordert, benötigt auch der Surfer eine gewisse Mindest-Energiedichte im Wind, um die Gleitphase zu erreichen und der Spaß fängt tatsächlich erst dann richtig an, wenn das Surfbrett mit hoher Geschwindigkeit über die Wasseroberfläche schießt.

Das Ziel der vorliegenden Erfindungen besteht darin, unter Ausnutzung der natürlichen Energiequellen und unter Zuhilfenahme von technischen und bautechnischen Möglichkeiten eine Sportstätte zu schaffen, die mit geringstmöglichem Fremdenergieeinsatz optimale Voraussetzungen für den modernen Surfsport im Binnenland bietet.

Eine erste und grundlegende Maßnahme besteht darin, einen künstlichen See so anzulegen, daß seine Wasseroberfläche möglichst hoch über dem mittleren Niveau des umliegenden Geländes liegt. In diesem Punkt unterscheidet sich der Surfsee von allen natürlich vorkommenden Binnengewässern, die bekanntermaßen ja immer in Mulden oder Vertiefungen liegen. Strömungstechnisch gesehen bildet jede Vertiefung eine Erweiterung des dem Wind zu Verfügung stehenden Strömungsquerschnitts und führt dadurch zu einer Verringerung der Windgeschwindigkeit über der Wasseroberfläche, die in der Praxis durch angrenzende Bebauungen und Bewuchs meistens noch zusätzlich abgebremst wird (Abb. 1).

Umgekehrt bildet jede Erhebung (Abb. 2) im Gelände eine Querschnittsverengung mit entsprechender Anhebung der Strömungsgeschwindigkeit und hier kommt als unterstützender Effekt das Grenzschichtverhalten der erdnahen Luftströmungen hinzu: Infolge der Bodenreibung bewegen sich die unteren bodennahen Luftschichten nur langsam voran, wohingegen mit zunehmender Höhe über Grund die Windgeschwindigkeit ansteigt.

Entsprechend diesen Überlegungen sollte der Surfsee zweckmäßigerweise möglichst auf einem flachen Bergrücken oder geeigneten Hochplateau angelegt werden. Vor allem im letzteren Fall sind die zur Anlage des Sees notwendigen Erdarbeiten von relativ geringem Ausmaß: Die zum bequemen Surfen optimale Wassertiefe - als Stehrevier bezeichnet - liegt zwischen 0,5 und 1 m und folglich reicht es aus, die vom Wasser bedeckte Fläche zu nivellieren und mit einem niedrigen Damm zu umgeben.

Energetisch und wirtschaftlich gesehen bildet diese erste Ausbaustufe sicherlich den besten Kompromiß zwischen Aufwand und Nutzen, denn mit einem verhältnismäßig geringen Aufwand kann die über der Wasseroberfläche herrschende mittlere Jahreswindgeschwindigkeit auf das zwei- bis dreifache dessen angehoben werden, was bei natürlichen Binnengewässern bisher vorgegeben war und entsprechend höher liegt der nutzbare Zeitanteil mit ausreichend hohen Windgeschwindigkeiten. Ein sorgfältig ausgewählter Standort im Binnenland in Verbindung mit einer günstig gestalteten Topographie kann Windverhältnisse aufweisen, die mit denen an der Küste keinen Vergleich scheuen müssen.

Der Energieinput zur Aufrechterhaltung des Sees besteht im wesentlichen darin, die durch Versickerung und Verdunstung auftretenden Wasserverluste auszugleichen und da der See deutlich oberhalb des Grundwasserspiegels bzw. des nächstgelegenen natürlichen Wasserreservoirs liegen dürfte, muß eine entsprechende Pumpleistung aufgebracht werden.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausbaustufe besteht darin, daß keinerlei technische oder physikalische Größenbegrenzung für den See vorhanden ist. Garantierte und definierte Windverhältnisse kann es in dieser Ausbaustufe trotz der drastischen Verbesserungen dennoch nicht geben.

In der zweiten Ausbaustufe geht es darum, durch weitere bauliche Maßnahmen den natürlich vorhandenen Wind zu kanalisieren und zu verstärken und damit die nutzbaren Zeitanteil weiter zu erhöhen.

Die gewollte Windverstärkung wird durch eine Überdachung (1 in Abb. 3) der Wasserfläche (2) erreicht, wobei in Strömungsrichtung (3) gesehen zunächst eine Beschleunigungsstrecke (4) mit abnehmendem Querschnitt, bzw. mit abnehmender Deckenhöhe durchlaufen wird. Über der genutzten Wasserfläche bleiben Querschnitt und Deckenhöhe im wesentlichen konstant und erst hinter der Nutzfläche (5) vergrößert sich der Querschnitt im sogenannten Diffusor (6), der die Luftströmung wieder verzögert.

In dem Vertikalschnitt nach Abb. 3 sind Beschleunigungsstrecke und Diffusor symmetrisch ausgeführt, so daß sich auch bei Umkehr der Windrichtung gleiche Strömungsverhältnisse ausbilden. Im Grundriß kann ein solches Bauwerk als Dreieck, Rechteck, Quadrat oder Vieleck, als Kreis, als Ellipse oder nierenförmig ausgeführt sein, ohne daß der prinzipiell erläuterte Strömungsvorgang dadurch gestört würde. Das wesentliche Merkmal eines solchen Bauwerkes sollte darin bestehen, daß der Beschleunigungseffekt bei verschiedenen Windrichtungen erhalten bleibt. Dennoch sollte sich der Grundriß an der örtlich vorherrschenden Hauptwindrichtung orientieren, um eine möglichst gute Ausnutzung der Wasserfläche zu ermöglichen.

Entsprechend der Bernoullischen Gleichung p + ρv2/2 = konst. wird im Bereich der Nutzfläche ein Teil des statischen Luftdrucks in Geschwindigkeitserhöhung umgewandelt, so daß sich unterhalb der Überdachung eine Druckabsenkung einstellt, die in Verbindung mit der großen Dachfläche zu erheblichen Belastungen führen kann. Aufgrund von statischen Überlegungen kann eine freitragende Überdachung unter diesen Voraussetzungen nur eine begrenzte Größe haben und die weiteren Anstrengungen müssen sich folglich darauf konzentrieren, eine möglichst große Fläche mit möglichst geringem Material- und Kostenaufwand zu überdachen.

Ein wesentlicher Ansatzpunkt zur Eindämmung der Überdachungskosten zielt darauf ab, die auf das Dach wirkenden Druckbelastungen zu kontrollieren und zu begrenzen. Der erfindungsgemäße Ansatz besteht darin, Beschleunigungsstrecke und Diffusor variabel zu gestalten, d. h. die Querschnittsänderungen aktiv zu beeinflussen: Bei schwachem Wind werden die Dachenden nach oben geneigt und auf maximale Geschwindigkeitserhöhung eingestellt. Bei Sturm könnte die gleiche Stellung sehr leicht zu Überlastungen führen und deshalb sind die Dachenden so konstruiert, daß sie in die Horizontale (7) gebracht und gegebenenfalls sogar bis auf Bodennähe abgesenkt werden können (8), um die Strömungsgeschwindigkeit im Inneren des Bauwerkes beliebig zu drosseln.

Vorzugsweise können zumindest die variablen Dachenden, d. h. die Beschleunigungsstrecke bzw. der Diffusor als Planen mit verstellbaren Aufhängepunkten bzw. mit variablen Zugwinkeln ausgeführt werden.

Auch für die Überdachung der Nutzfläche mit konstanter Deckenhöhe kommen Leichtbaukonstruktionen auf der Basis von gespannten Planen in Frage. Neben den bisher geläufigen Dachkonstruktionen könnte sich eine Bauweise aus Tragsegmenten, die eine gespannte Plane umschließen als besonders vorteilhaft erweisen. Bei erfindungsgemäß richtiger Konstruktion und Auslegung kann die Plane mit ihren seitlichen Begrenzungen zusätzlich noch die Funktion eines automatischen Druckbegrenzungsventils erfüllen. Abb. 4 zeigt ein solches quadratisches Deckenelement, bei dem der starre Kreisbogenabschnitt (9) mit dem vorgespannten Rand der Plane (10) im Normalfall einen engen Spalt (11) bildet. Erst bei Überschreitung einer bestimmten Druckbelastung bewirkt der vergrößerte Durchhang das Öffnen eines großen Überströmquerschnitts, durch den die Dachober- mit der Unterseite verbunden wird. Die dabei einströmende Luftmasse bewirkt einen Druckausgleich und durch den Mischvorgang der einströmenden mit der in Bewegung befindlichen Luftmasse unterhalb des Daches wird deren mittlere Geschwindigkeit herabgesetzt. Das Tragwerk (12) befindet sich hier sinnvollerweise oberhalb der Plane, um im Inneren des Bauwerks eine möglichst glatte und strömungsgünstige Deckenwandung zu erzeugen.

Während die zuerst erwähnte Querschnittsregelung der Dachenden träge reagiert und aktiv herbeigeführt werden muß, arbeitet die Überdruckregelung passiv und praktisch völlig verzögerungsfrei. Sicherlich wird erst durch die Kombination von beiden Regelungsmechanismen ein optimales Betriebsergebnis (d. h. maximale Windgeschwindigkeitserhöhung) bei gleichzeitiger Einhaltung der erforderlichen Sicherheitsstandards ermöglicht.

Auch wenn Stützen im Bereich der Nutzfläche hinderlich sind, so kann es aus statischen Gründen durchaus sinnvoll sein, im Zentrum der Überdachung einen oder mehrere große Pylons (13 in Abb. 5)) anzubringen, die nach Art von Hängebrücken die Vertikallasten über Stahlseile auffangen. Durch eine solche Konstruktion läßt sich der Materialeinsatz gegenüber einer völlig freitragenden Bauweise sicherlich deutlich verringern, bzw. die maximal mögliche Überdachungsfläche läßt sich entsprechend vergrößern.

Die dritte Ausbaustufe macht den Surfsee vom natürlich vorhandenen Wind völlig unabhängig, denn hier wird künstlicher Wind durch den Einsatz von Ventilatoren (14 in Abb. 5) erzeugt. Umso wichtiger ist es hier, die eingesetzte Fremdenergie möglichst effektiv zu nutzen, d. h. den auf die Nutzfläche bezogenen spezifischen Energieverbrauch zu minimieren. Im Anhang "Energetische Abschätzung" wird eine erste Vorstellung über die Größenordnungen von Antriebsleistung und spezifischem Energieverbrauch hergeleitet:

Eine ungeführte freie Strömung hinter einem Ventilator beginnt schon nach einer relativ kurzen Strecke (ca. 5-facher Strahldurchmesser) sich wieder aufzulösen, da der durch den Ventilator erzeugte Luftstrahl sich schnell mit den umgebenden Luftschichten vermischt und bei diesem Mischvorgang abgebremst wird.

Energetisch und ökologisch verantwortbar kann die künstliche Winderzeugung für ein größeres Areal nur dann sein, wenn der Luftstrom über eine längere Strecke zwangsgeführt wird. Eine Überdachungslänge von mindestens 20-facher Deckenhöhe (bzw. ca. 20-fachem Strahldurchmesser) vervierfacht die Nutzfläche und viertelt somit den spezifischen Energieverbrauch. Außerdem ist eine Überdachung unabdingbare Voraussetzung für den Einsatz von Beschleuniger und Diffusor, die nochmals etwa eine Halbierung des Energieverbrauchs erwarten lassen.

Als weitere Maßnahmen zur Energieeinsparung kommen darüber hinaus in Frage:

  • - Energetische Optimierung der Ventilatoren (hoher Antriebswirkungsgrad und möglichst großer Durchmesser der Luftschrauben, um einen möglichst großen Anteil des Beschleunigungsquerschnitts abzudecken zur Minimierung der Mischungsverluste).
  • - Die schon oben erwähnten variablen Dachenden können als seitliche Begrenzungswände bis auf den Boden abgesenkt werden, so daß man tatsächlich einen allseitig geschlossenen Strömungskanal ausbilden kann, der auch an seinen seitlichen Rändern so gut wie keine Verwirbelungsverluste hat. Vor allem bei rechteckigen Grundrissen läßt sich diese Möglichkeit besonders gut anwenden.
  • - Desweiteren wird vorgeschlagen, die Ventilatoren als fahrbare Einheiten auf der Dammkrone anzuordnen und sie je nach Windrichtung so zu positionieren, daß die vorherrschende Grundwindgeschwindigkeit zur Energieersparnis ausgenutzt wird. Die Ventilatoren müssen dann den Naturwind nur noch soweit verstärken, daß die Mindestenergiedichte für den Surfbetrieb erreicht wird. Erst bei völliger Windstille wird von den Ventilatoren die volle Leistung abverlangt. Praktischerweise können Gleise auf der Dammkrone installiert werden, damit die fahrbaren Einheiten sicher geführt sind und die auftretenden Seitenkräfte zuverlässig in den Boden eingeleitet werden.

Die Gleisanlage kann auch dazu benutzt werden, fahrbare Tribünenelemente bei Show- oder Wettkampfveranstaltungen in die jeweils günstigste Position zu bringen. Auch diese Elemente können die Funktion der seitlichen Strömungsführung übernehmen.

Der Vollständigkeit halber soll hier auch noch eine vierte Ausbaustufe erwähnt werden, die dem eingangs erwähnten "Idoor Surfen" insofern am nächsten kommt als daß sie ebenfalls auf 100% künstlich erzeugtem Wind basiert.

Der entscheidende Unterschied zu der bisher geläufigen Praxis besteht jedoch darin, daß der Luftstrom auch hier geführt wird und zwar nicht in einem offenen Kreislauf - wie z. B. in Ausbaustufe drei -, sondern in einem geschlossenen. Gegenüber der energetisch schon recht günstigen Diffusorlösung hat diese Ausführung den Vorteil, daß überhaupt keine Bewegungsenergie mehr mit der abströmenden Luftmasse verloren geht: Nachdem die innerhalb des Gebäudes befindliche Luftmasse einmal beschleunigt ist, müssen nur noch die durch den Surfbetrieb und durch Reibung entstehenden Verluste ausgeglichen werden. Die dazu notwendige Ventilatorleistung dürfte sich dabei mindestens nochmals halbieren. Allerdings fällt hier die Unterstützung durch den Naturwind völlig weg, so daß die tatsächliche Energieersparnis deutlich geringer ausfallen dürfte.

Abb. 6 zeigt beispielhaft den Grundriß einer ovalen Surfhalle, deren Luftstrom von zwei Ventilatorebenen (15) angetrieben, bzw. aufrechterhalten wird. Es ist durchaus denkbar, daß nur eine Ebene zum Antrieb völlig ausreicht. Die Trennwand (16) in der Mitte muß selbstverständlich bis zur Decke hochgezogen sein und auch hier bietet es sich an, den Bereich als Tribüne zu nutzen. Nachteilig ist hier die Teilung der schraffierten Nutzfläche durch die Trennwand, denn dadurch halbiert sich die surfbare Fahrtstrecke, die im wesentlichen immer senkrecht zur Windrichtung verläuft. Um die beim Halsenmanöver verlorengegangene Höhe wieder gutzumachen, sollte die verfügbare Fahrtstrecke mindestens 100m, besser 150- 200m betragen. Daraus wird ersichtlich, daß eine so konstruierte Halle riesige Abmessungen haben muß, um einen brauchbaren Surfbetrieb zu ermöglichen. Nachteilig ist auch der gewaltige Flächenverbrauch für die Umlenkungen des Luftstroms, die wegen der großen Radien aus aerodynamischer Sicht allerdings günstig sind.

Sehr viel ökonomischer in der Flächenausnutzung ist eine Hallenkonstruktion nach Abb. 7, bei der der Luftstrom in einer zweiten Ebene oberhalb des Nutzungsbereiches zurückgeführt wird. Die relativ scharfen Umlenkungen sollten hier durch geeignete Umlenkhilfen verlustarm gestaltet werden. Falls die Zwischendecke freitragend und ausreichend tragfähig ist, kann die obere Etage für trockene Aktivitäten wie z. B. Strandsegler genutzt werden.

Besonders attraktiv ist die Sportstätte sicherlich dann, wenn unterschiedliche Ausbaustufen räumlich eng verknüpft sind und zu einem Surfpark zusammengefaßt werden. So ist die Kombination eines großzügig bemessenen offenen Surfsees nach Ausbaustufe 1 mit einer künstlich ventilierten und/oder überdachten und von daher zwangsläufig auch kleineren Sportstätte nach Stufe 3 oder 4 mit Sicherheit besonders interessant, denn der Surfer hat hier in jedem Fall die Gewähr, daß seine Anfahrt auf keinen Fall vergebens ist und er schlimmstenfalls nur den höheren Eintrittspreis für die Nutzung des künstlichen Windes bezahlen muß.

Darüberhinaus kann eine Reihe von weiteren Infrastrukturmaßnahmen sinnvoll sein, um die Attraktivität weiter zu erhöhen:

  • - Übernachtungsmöglichkeiten wie Campingplatz und/oder Sporthotel sowie angeschlossene Gastronomie.
  • - Sauna, damit man sich vor allem in der kalten Jahreszeit unmittelbar nach dem Wasserkontakt aufwärmen kann. In Verbindung mit entsprechender Surfbekleidung ist damit eine wichtige Voraussetzung für Ganzjahresbetrieb gegeben.
  • - Surfschule und Surfshop mit der Möglichkeit, neues Surfmaterial direkt vor Ort auszuprobieren.
  • - Schwimmbad, Liegewiese, Kinderspielplatz etc.etc., um den nichtsurfenden Familienmitgliedern den Aufenthalt so angenehm wie möglich zu gestalten.
  • - Eine Trockenübungsfläche (Rasen oder benetzte Sandfläche) für Strandsurfer (eine Art Skateboard mit vergrößerten Rädern), durch die der Schulungsbetrieb didaktisch wertvoll unterstützt werden kann und die bei zu schwachem Surfwind als Ausweichmöglichkeit dienen kann.
  • - Ständige Registrierung und Aufzeichnung der lokalen Windverhältnisse mit telefonischer Abfragemöglichkeit

Anhang: Energetische Abschätzung

In diesem Abschnitt soll ein erster Eindruck über die Größenordnung des erforderlichen Energieaufwandes gegeben werden. Selbstverständlich müssen bei einer konkreten Projektplanung die hier gemachten Annahmen genauer überprüft und durch Versuche und Messungen unterstützt und präzisiert werden.

Annahme: Um einen schon anspruchsvollen und rasanten Surfbetrieb zu ermöglichen, soll eine Luftschicht von 10m Höhe auf eine Geschwindigkeit von v = 10 m/s (= 36 km/h entspricht knappe 6 Windstärken) beschleunigt werden. Pro 10 m Fahrtstrecke quer (senkrecht) zum Wind ergibt sich damit eine Querschnittsfläche A von

A = 10 m × 10 m = 100 m2 in die bei einer Windgeschwindigkeit von v = 10 m/s ein Volumenstrom von

V = A × v = 100m2 × 10 m/s = 1000 m3/s einströmt.

Bei einer Luftdichte von 1,2 kg/m3 (Norm-Atmosphäre DIN 5450 bei 200 m über NN und 14°C) hat der einströmende Massenstrom die Größe

m = V × ρ =1000 m3/s × 1,2 kg/m3 = 1200 kg/s.

Die in dem Massenstrom enthaltene Bewegungsenergie hat eine Leistung von Pkin = m/2 × v2 = 600 kg/s × 100 m2/s2 = 60.000 kgm/s2 × m/s = 60.000 Nm/s = 60 kW.

Bei einem angenommenen Luftschraubenwirkungsgrad von 80% ergibt sich die erforderliche Antriebsleistung pro 10 m Fahrtstrecke zu

P10m = 60 kW/0,8 = 75 kW.

Für einen komfortablen Surfbetrieb sei eine Fahrtstrecke von 200m geplant, womit sich die Gesamtleistung zu

P = 20 × P10m = 20 × 75 kW = 1500 kW ergibt.

Bei einem freien, d. h. ungeführten Luftstrahl könnte die nutzbare Breite etwa das fünffache der Höhe, also in diesem Beispiel 50m betragen. Die vom Wind bestrichene Nutzfläche hat dann 200m × 50m = 10.000m2 = 1ha und auf ihr können etwa 10 Surfer fahren, ohne sich allzusehr ins Gehege zu kommen. Der spezifische Energieverbrauch beträgt in diesem Fall

Pspez0 = 1500 kW/10.000m2=0,15 kW/m2= 150 W/m2

und auf jeden Surfer bezogen

PS0 = 1500 kW/10 Surfer = 150 kW/Surfer.

Durch eine Überdachung kann die nutzbare Breite mindestens vervierfacht werden womit die Nutzfläche auf 200m × 200m = 40.000m2 = 4 ha ansteigt. Die spezifischen Werte vierteln sich dabei auf:

Pspez1 = 1500 kW/40.000m2 = 0,0375 kW/m2 = 37,5 W/m2 und

SS1 = 1500 kW/40 Surfer = 37,5 kW/Surfer.

Eine weitere Absenkung des Energieverbrauchs kann durch Einsatz eines Diffusors erreicht werden. Es kann angenommen werden, daß sich ohne allzugroße Verluste durch Strömungsablösung eine Querschnittserweiterung auf das 1,5-fache des Nutzungsquerschnitts realisieren läßt. Die Luft darf bei diesen langsamen Strömungsvorgängen als inkompressibel betrachtet werden, womit sich die Austrittsgeschwindigkeit am Diffusorende zu

vD = v/1,5=10m/s/1,5 = 6,7m/s ergibt.

Die am Diffusoraustritt sekündlich verlorengehende Bewegungsenergie entspricht bei gleichem Massendurchsatz, d. h. unter unveränderten Nutzbedingungen einer Leistung von

PkinD = m/2 × vD2 = 600 kg/s × 44,4 m2/s2 = 26.666 kgm/s2 m/s = 26,6 kW pro 10 m Fahrtstrecke und muß auch hier von den Luftschrauben mit ihrem Wirkungsgrad von 0,8 aufgebracht werden, womit sich die Antriebsleistung pro 10 m Fahrtstrecke zu

P10D = 26,6 kW/0,8 = 33,2 kW ergibt.

Die Gesamtleistung bei 200m Fahrtstrecke beträgt nun P2 = 20 x 33,2 kW = 665 kW, der flächenspezifische Energieverbrauch liegt bei

Pspez2 = 665 kW/40.000m2 = 0,0166 kW/m2 = 16,6 W/m2

und pro Surfer ist er auf

PS2 = 665 kW/40 Surfer = 16,6 kW gesunken.

(Anmerkung: Da es über Diffusoren dieser Größenordnung und Formgebung nur geringe Erfahrungen gibt, sind diese Werte mit einer hohen Unsicherheit behaftet und müssen gegebenenfalls durch genauere Berechnungen und Modellversuche erhärtet werden. Prinzipiell wären noch weitaus größere Verzögerungsverhältnisse mit entsprechender Energieeinsparung denkbar; die Praxis setzt hier allerdings Grenzen durch die Ablösungstendenz der Strömung, wenn man sie zu stark und zu plötzlich verzögert. Eine möglicherweise sinnvolle Alternative zu Diffusoren am Ende der Nutzungsfläche wäre eine Deckenkonstruktion, die über der gesamten Nutzungsfläche eine einstellbare schwache Neigung zuläßt, wodurch die gesamte Nutzungsfläche als hochwirksamer und strömungstechnisch optimaler Diffusor wirken würde, da infolge der schwachen Neigung kaum noch Ablösungstendenzen zu befürchten wären. Für den Surfer hätte dies den Vorteil, daß er sich die für ihn passenden Windverhältnisse in gewissen Grenzen selbst auswählen könnte: Direkt hinter der Ventilatorebene ist in diesem Fall der Wind am stärksten und mit zunehmender Entfernung wird der Wind ganz allmählich schwächer. Abb. 8 zeigt eine schwenkbare Deckenkonstruktion, deren Drehpunkt der Aufhängepunkt der Seile am Pylon ist. Hier bildet der Damm im Zusammenwirken mit der abgerundeten Dachkante die notwendige Querschnittsverengung im Einlaufbereich. Gegenüber einer Planenkonstruktion hat diese dicke und steife Dachkante den Vorteil, daß kaum Flatterneigungen zu befürchten sind.)

Dieser immer noch relativ hohe Wert hängt damit zusammen, daß der größte Teil des beschleunigten Luftstromes praktisch völlig ungenutzt am Ende der Nutzungsfläche bzw. am Diffusoraustritt ausströmt. Bei einem völlig geschlossenen Luftkreislauf wie in Abb. 6 u. 7 fallen diese Verluste aber nicht an und die spezifischen Werte dürften damit nochmals auf die Hälfte oder gar ein Viertel der Diffusorwerte absinken:

(Pspez3 = 4 bis 8 W/m2 und PS3 = 4 bis 8 kW pro Surfer).

In diesem Zusammenhang ist auch eine Abschätzung der von einem einzigen Surfer absorbierten Leistung interessant: Bei einer Fahrtgeschwindigkeit von 40 km/h = 11 m/s und einer Schleppkraft von schätzungsweise 20% des Körpergewichts, also 0,2 × 75 kp = 15 kp = 150 N beträgt die absorbierte Leistung P = 150N × 11 m/s = 1666 Nm/s = 1,66 kW und mit den Strömungsverlusten am Segel dürfte der Wert eher im Bereich von 2 kW pro Surfer liegen. Damit markiert dieser Wert die absolute theoretische Untergrenze dessen, was in einem geschlossenen Kreislauf bei verlustloser Strömungsführung erreichbar wäre.

Bei der Beurteilung der hier ermittelten Leistungs- und Verbrauchswerte sollte darauf hingewiesen werden, daß es sich hier eher um Obergrenzen handelt, denn die hier gemachten Annahmen über Deckenhöhe, Windgeschwindigkeit und Belegungsdichte sind recht großzügig bemessen und schon eher auf Show- und Wettkampfbedingungen zugeschnitten. Die Auslegung der Anlage insgesamt und insbesondere die Bemessung der maximal verfügbaren Ventilatorleistung sollte tatsächlich auch so erfolgen, daß diese Bedingungen auf jeden Fall erfüllt werden können.

Im zivilen Alltagsgebrauch dagegen kann man den Surfern sicherlich den Verzicht auf Sprünge (wegen Deckenhöhe) und die Verwendung von größeren Segeln (wegen Windstärke) zumuten und damit auf die Parameter Einfluß nehmen, die den Energieverbrauch ganz wesentlich bestimmen:

Eine Absenkung der Windgeschwindigkeit von 10 auf 7 m/s (entspricht 4,5 Beaufort) halbiert bereits den Energieverbrauch, eine Absenkung der Deckenhöhe von 10 auf 6m lichte Höhe erspart weitere 40% Antriebsleistung und aus diesem Beispiel (Offenes Diffusorsystem unter Maximalbedingungen: 16,6 kW pro Surfer/unter Minimalbedingungen: 5 kW pro Surfer) wird klar, wie wichtig es ist, die gesamte Anlage möglichst flexibel und variabel zu gestalten. Die unbedingt notwendige und möglichst verlustarme Regelung der Ventilatoren kann sinnvollerweise durch eine höhenverstellbare Decke (z. B. hydraulisch ausfahrbarer Pylon) ergänzt werden.

Bei der Beurteilung der ökologischen Gesamtbilanz sollte nicht vergessen werden, daß ein Surfer, der zum Wochenende an die Küste fährt, im Schnitt etwa genauso lange hinter dem Lenkrad sitzt, wie er auf dem Surfbrett steht. Unter diesem Aspekt müßte eine Anlage mit Diffusorlösung (16,6 kW pro Surfer gegenüber etwa 50 kW bei zügiger Autobahnfahrt) bereits eine deutlich positive Ökobilanz aufweisen.

Interessant ist auch die nähere Betrachtung des flächenspezifischen Energieverbrauchs, der mit 16,6 W/m2 bei der Diffusorlösung nur ein Bruchteil dessen beträgt, was mit zeitgemäßer Photovoltaik (ca. 100 W/m2) erreichbar ist. Schon durch eine Teilbelegung der Dachfläche mit Solarzellen ist es ohne weiteres möglich, die Anlage mit einer positiven Gesamtenergiebilanz zu betreiben. Das vor allem während der Sommermonate häufige Auftreten von Flaute in Kombination mit Sonnenschein macht eine solche Auslegungsvariante besonders interessant.


Anspruch[de]
  1. 1. Künstlich angelegter Surfsee, der mit einem niedrigen Damm umgeben ist, welcher den Wasserspiegel um maximal 0,5 Meter überragt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wasseroberfläche höher liegt als das mittlere Niveau des umliegenden Geländes
  2. 2. Künstlicher Surfsee nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß durch Ventilatoren, die im Bereich der Dammkrone angeordnet sind, künstlicher Wind erzeugt wird.
  3. 3. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzfläche oder ein Teil davon überdacht ist und die Überdachung an ihren Enden aerodynamisch so ausgeführt ist, daß im Bereich der Nutzfläche eine Erhöhung der Windgeschwindigkeit erfolgt.
  4. 4. Künstlicher Surfsee nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungswinkel der Überdachungsenden, die auch als Beschleuniger und Diffusor bezeichnet werden, einstellbar ist.
  5. 5. Künstlicher Surfsee nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Dachkonstruktion mit Überdruckventilen oder Membranen ausgestattet ist, welche die auf das Dach wirkenden Druckbelastungen begrenzen.
  6. 6. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Überdachung nach Art von Hängebrücken an einem oder mehreren großen Pylons aufgehangen ist.
  7. 7. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Überdachung um einen kleinen Winkel nach allen Richtungen geneigt werden kann.
  8. 8. Künstlicher Surfsee nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die Überdachung an ihren Rändern einen kräftigen und steifen Wulst hat, der zusammen mit dem Damm eine aerodynamisch gut geformte Einlaufhilfe/Beschleunigungsstrecke bildet.
  9. 9. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Höhe der Überdachung eingestellt werden kann, vorzugsweise über hydraulische Längenänderung des/der Pylons.
  10. 10. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Position der Ventilatoren in Abhängigkeit von der natürlichen Windrichtung geändert werden kann und daß vorzugsweise die Leistung der Ventilatoren verlustarm geregelt werden kann.
  11. 11. Künstlicher Surfsee nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilatoren auf Gleisen fahrbar gelagert und geführt werden, wobei die Gleise vorzugsweise den gesamten See umgeben und auf oder unmittelbar vor der Dammkrone angebracht sind.
  12. 12. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß der abströmende Luftstrom umgelenkt und einer erneuten Nutzung zugeführt wird.
  13. 13. Künstlicher Surfsee nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des Luftstromes auf einer zweiten Ebene oberhalb der Nutzungsebene erfolgt.
  14. 14. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß die Überdachung oder eine Teil davon mit Solarzellen bestückt ist.
  15. 15. Künstlicher Surfsee nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ausbaustufen und/oder weitere Infrastruktureinrichtungen auf einem Gelände vereint sind.






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