2 kW-Anlage

[Wilfried]

Meinen respektvollen Gruß in die Forenrunde!
Nachdem ich hier nun schon viele Tage eine unüberschaubare Zahl von Beiträgen kreuz und quer gelesen und teilweise auch verstanden habe, möchte ich mich und mein Vorhaben heute vorstellen:

Ich möchte als Ergänzung für eine PV-Solaranlage die Windenergie in ein Hybridsystem einbinden. Da die Energielieferung für dezentrale Wasseraufbereitung ist und entsprechend zuverlässig sein muss, gibt es für den Notfall einen Back-Up-Generator, der aber so wenig wie möglich eingesetzt werden soll.
Die WKA soll - quasi als Aufbau auf gewöhnlichen Seecontainern - am Zielort einfach zu montieren sein. Nach allem was ich inzwischen über kleine WKAs gelernt habe, sind die Vertikalachser in geringen Höhen und bei unsteten Windverhältnissen gegenüber den Horizontalachsern im Vorteil.

Eine erste Testanlage soll einen Rotor von ca. 2 x 2 m haben. Dazu habe ich einen massiven Versuchsstand mit Mast, Rotorlager, Scheibenbremse, usw. schon vorbereitet. Nun steht die schwere Entscheidung über die Art des Rotors an. Nach stundenlangem Lesen, hier und in verschiedenen anderen Foren, tendiere ich zu einem 4-Flügel C- Rotor. Aber ist sowas überhaupt schon einmal in größeren Dimensionen gebaut worden?
Alles was ich bisher lesen konnte, sind die vorgestellten Modelle alle kleiner. Oder? Denkbar wäre auch eine Kombination Canstein-Darrieus-Rotor.
Die nächste Generation soll dann schon 2,5 x 3 m werden. Es würde mich freuen, wenn mir da einige der Experten hier beratend zur Seite stehen. Selbstverständlich soll dann über Erfolge und auch Misserfolge hier im Forum berichtet werden. Mögen sich Letztere bitte in Grenzen halten

Beste Grüße
Wilfried

[jb79]

Hallo Wilfried!

Schön, daß du in unser Forum gefunden hast.

Ein Hybridsystem ist sicher eine gute Lösung, denn Wind ist auch nachts da wenn die Solarzellen nie was liefern.
Das mit den Eigenschaften vertikaler Windräder hast du auch richtig verstanden, bei böhigem Wind aus verschiedenen Richtungen ist ein Vertikalläufer im Vorteil.

Ich will dir aber auch die Nachteile nicht verschweigen, prinzipbedingt braucht man ein System, um das unkontrollierte Hochdrehen bei Sturm zu verhindern (entweder mechanische oder elektrische Bremsung), ein spezieller Generator wird benötigt (niedrigere Drehzahlen als vergleichbare Horizontalläufer), außerdem ist der Wirkungsgrad etwas geringer als beim Horizontalläufer.

2x2m für eine erste Testanlage schon recht groß, es gibt einige die in der größenordnung bauen wollen, fertige Windräder hab ich in der Größe hier aber leider noch keine gesehen. Vielleicht schaffst du es ja als erster. Für die Berechnung gibts ein Excel-Sheet, das findest du hier, dort gibst du ganz oben die Flügelanzahl und dann darunter noch den angepeilten Durchmesser an, der Rest wird errechnet.
Mehr Flügel bedeuten normalerweise einen rundren Lauf, ähnlich wie das bei Motoren ist, außerdem werden die einzelnen Flügel dann kleiner, es bedeutet aber auch mehr Bauarbeit.

Der C- Rotor hat ein recht hohes Drehmoment, allerdings eine eher bescheidene Drehzahl. Wenn du keinen passenden Generator für niedrige Spannungen hast, gut geeignet sind Motore für Elektrofahrräder, wichtig ist generell: hohe Spannung (48V Motore) bei wenig Drehzahl. 12V sollten bei 100 U/min schon erreicht werden. Eventuell könnte man bei der Größe schon ein Getriebe vorsehen, damit die Spannung früher erreicht wird, nur ist jedes Extra-Teil zwischen Wind und Batterie eine potentielle Fehlerquelle und wirkungsgradreduzierend.

Wenn du genug Platz hast, dann würde ich an deiner Stelle versuchen den Durchmesser geringer zu halten (2m) und dafür vielleicht ein zweites 2x2m Windrad zu bauen. Vorteil: du hast 2x genau die selben Abmessungen und etwas höhere Drehzahlen als bei 2,5 oder 3m Durchmesser.

[Wilfried]

Hallo Jürgen,

ich freue mich über Deine schnelle Antwort und dass Du meine Einschätzungen bestätigst macht Mut. Die Nachteile waren mir natürlich auch bekannt, aber ich denke mit denen kann man bei diesen Einsatzbedingungen besser leben als mit den Nachteilen anderer Systeme. Das Ganze ist als Bausatz für weniger entwickelte Länder gedacht und soll auf den 20 ft.-Containern für Wasseraufbereitung auch von "einfachen Menschen" montiert werden können.

Die Bremsung bei der Pilotanlage soll zunächst mechanisch erfolgen. Die Scheibenbremse ist schon montiert. Später muss das natürlich automatisch und elektrisch per "Dumpload" erfolgen. Einer der großen Vorteile des Systems ist ja, dass ich keine Schleifringe habe, die dabei wohl leicht zu Schaden kommen.

2x2m für eine erste Testanlage ist sicher recht groß, aber es drängt die Zeit und ich habe das gute Gefühl, dass sich das realisieren lässt. Die technischen Möglichkeiten und der Platz sind jedenfalls vorhanden.
Für 4 Flügel ist die Bauarbeit gar nicht soviel mehr, wenn zum Formen die Vorrichtungen einmal gebaut sind. Und bei der Montage die 8 Schrauben mehr, die fallen bei Material und Lohn auch kaum auf.

Ich werde nun mal den Rotor berechnen und dann für den Motorenhersteller eine Drehzahl haben. Bin gespannt ob das noch ohne Getriebe sinnvoll zu realisieren ist.

Beste Grüße
Wilfried

[Bernd]

Hallo Wilfried, auch von mir ein herzliches Willkommen hier im Forum.
Wie Jürgen schon sagte haben wir bisher leider noch keine Rückmeldungen über eine Baugrösse
mit 2m Durchmesser erhalten. Ich würde mich freuen wenn sich das bald ändert.

Bei dieser Baugrösse würde ich selber deutlich mehr als die oft abgebildeten 3 Flügel nehmen,
vielleicht 5. Vorteil ist das die einzelnen Flügel nicht so riesig und massig werden.
Ich sehe das genau wie du das mehrere Flügel keinen sonderlich grossen Mehraufwand bedeuten,
zumal man ja die Vorrichtungen ohnehin hat.

Wenn du Darrieus und C- Rotor Flügel an einem Windrad kombinieren möchtest, so müssen
die C- Rotor Flügel weit innen sitzen, da diese eine viel geringe Schnelllaufzahl haben.
Die C- Rotor Flügel würden dann quasi als Anlaufhilfe für den als anlaufschwach geltenden
Darrieus fungieren. In diesem Fall sollte der Generator auch sehr leichtgängig sein, am besten
ein eisenloser Typ.

Ohne Getriebe brauchst du beim C- Rotor einen Generator mit sehr grossen Durchmesser,
z.B. einen grossen Scheibengeneraor und selbst dann wird es schwierig bei so geringen Drehzahlen
die nötige Spannung zu erzeugen.
Ein Darrieusrotor dreht in der Grössenordnung von ca. 6 mal schneller.
Das bedeutet eine viel leichtere Generatorauslegung. Leider ist ein Darrieus aber ein bisschen
mimosenhaft und hat nach meiner bisherigen Einschätzung nicht die Robustheit was Anlauf,
Beschleunigung etc. anbelangt wie ein Canstein.

Grüsse

Bernd

[Wilfried]

Hallo Bernd,

vielen Dank für das Willkommen. Bei der Art des Rotors habe ich heute entschieden, dass da ganz solide ein Canstein gebaut werden soll - keine Kreuzung, bei der man viel Zeit für die Optimierung einplanen muss.
Bei der Zahl der Flügel meine ich, dass 4 Flügel am einfachsten zu justieren sind. Alle Teile sollen aus Alublech geformt werden, wozu noch ein spezielles Biegewerkzeug gebaut wird.
Die Leitfläche hat mit 364 mm eine gute Tiefe. Um sie auszusteifen möchte ich das Alublech falten, so wie unten dargestellt. Die dann entstehende Rundung kann nur von Vorteil sein, für die Durchströmung und für die Geräuschentwicklung. Der Vorflügel wird dadurch 20 mm breiter, soll aber die berechnete Tiefe behalten.
Gibt es grobe Richtwerte, mit welchen Drehzahlen bei dieser Konstruktion zu rechnen ist?

Beste Grüße aus Hannover

Wilfried

[Wilfried]

Hallo Zusammen,

hier noch eine Idee für den Vorflügel. So rein gefühlsmäßig scheint mir der Innenraum ziemlich groß, wo es zu Verwirbelungen kommen kann. Die äußere Form ist strömungstechniswch sicher von Vorteil, aber innen könnte man eine Schale einsetzen und den Hohlraum ausschäumen. Noch mehr Steifigkeit garantiert - aber auch Vorteile im Durchstrom?

Bin gespannt auf Eure Reaktionen

Wilfried

[Bernd]

Hallo Wilfried, das sieht ja schon mal sehr gut aus !
Was deine idee für den Vorflügel anbelangt, so ist es die klassische Form einer "Parallelerfindung"
denn diese Idee wurde hier im Forum schon vorgestellt.
Auch ich bin der Überzeugung das ein Vorflügel, der im innen einen halbrunden Innenflügel besitzt,
strömungstechnisch von Vorteil wäre.
Rein subjektiv hatte ich bei Tests den Eindruck das es leichte Vorteile durch diese Bauform gab.
Ganz ohne Zweifel scheint die Verbesserung der Stabilität zu sein.
Insofern würde ich sagen " machs " .

Zu den zu erwartenden Drehzahlen beim Canstein gibt es eine Formel die diese Drehzahlen unter Lastabnahme
errechnet. Sie lautet :
Windgeschwindigkeit (in Meter pro Sekunde) mal 10 durch Rotordurchmesser (in Metern) = optimale Nutzdrehzahl in U/min.
ich schreibe "optimale" weil das der Punkt ist an dem die leistungskurve ihren Gipfelpunkt hat.
Im Leerlauf dreht der Rotor etwas schneller.
Das leerlauf TSR beträgt nach den bisherigen Erfahrungen ca. 0,82 und das Nutzniveau liegt bei 0,5.
Wenn du deine Werte einsetzt so wirst du merken das so ein grosser C- Rotor sehr langsam dreht.

Grüsse

Bernd

[klingei]

Hallo Bernd

Darf ich mal fragen, wie genau deine Formel ist? Ist der 10er Daumen mal pie oder zufällig relativ genau dran?

Gruß Klingei

[Bernd]

Achso noch was...
Es hat sich für die Stabilität aber besonders auch für den Wirkungsgrad und die Drehzahl als positiv
erwiesen wenn sowohl Leitfläche als auch die Spitze des Vorflügel auf dem Kreisradius liegen.
Die Leitfläche müsste zu diesem Zweck eine Rundung im Rotorradius erhalten.
Ich weiss jetzt nicht ob du das integrieren willst oder zu gunsten einer einfacheren Bauweise darauf
verzichten willst, aber im Grunde baust du ja eh Formen um die Teile herzustellen, ich würde dir
diese Verbesserung daher empfehlen.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Darf ich mal fragen, wie genau deine Formel ist? Ist der 10er Daumen mal pie oder zufällig relativ genau dran?

Du fragst sicher weil die Werte so "rund" erscheinen.
Tatsächlich kommt das aber gut hin, je nach Baufom vielleicht etwas abweichend aber ich habe diese Werte
am 50cm Testrotor ermittelt.
Es gibt auch noch eine zweite Formel für die belastete Drehzahl:
Rotordrehzahl = Windgeschwindigkeit in m/s durch Rotorumfang in metern mal 60 durch 2 = U/min

Grüsse

Bernd