Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Spannungserzeugung durch Spulen und Magnete wie funktionierts, Formeln und mehr

Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Rollergert » Mo 8. Apr 2013, 16:20

Ich habe hier schon viele interessante Projekte gesehen.
Mit senkrechten und waagrechten Rotoren, mit Lichtmaschinen oder Motoren als Generator, als komplette Anlage gekauft oder aber bist zur Spulenwickelei herunter komplett selbst gebaut.

Da ich gewohnt bin, wissenschaftlich zu arbeiten, suche ich bei den einzelnen Konzepten immer nach der Vergleichbarkeit.
Das ein großes Windrad quantitativ mehr Energie umwandeln kann, als ein kleines, stimmt ja im Prinzip.
Aber nach welchen Kriterien ordne ich die Effektivität ein?
Beim Verbrennungsmotor gibts z.B. die Leistung in PS in Verbindung mit dem Hubraum. Da sehe ich, ob der Konstrukteur was drauf hat.
Denn einen Motor mit 100 PS kann jeder bauen, wenn der Hubraum unbegrenzt ist.
Aus 500 ccm aber ist das schon eine sehr gute Leistung.

Es gibt da aber auch das Leistungsgewicht, also Kg/Ps , was z.B. bei Flugmotoren wieder wichtiger ist.

Wie ordnet man also die Qualität einer Windkraftwerkskonstruktion ein?
Am besten so, daß die eigentliche Größe keine Rolle spielt und verschiedene Konzepte vergleichbar werden.

Projektionsfläche (m²)+ Windgeschwindigkeit (m/s) = η
elektrische Leistung (KW)

So in der Art vielleicht?
Da muß es doch sicher schon was geben.
Zuletzt geändert von Rollergert am Mo 8. Apr 2013, 16:33, insgesamt 1-mal geändert.
Gruß vom Gert
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Bernd » Mo 8. Apr 2013, 16:32

Die Effektivität von Windrädern vergleicht man über deren Wirkungsgrad den man noch aussplitten kann
nach aerodynamischen Wirkungsgrad, Generatorwirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad der Anlage.

Der Einfachheit halber würde ich erstmal nur den aerodynamischen Wirkungsrad des Rotors für einen Vergleich zu rate ziehen.
Leider kann man ihn mit Hausmitteln nicht genau selber bestimmen.
Daher orientiert man sich zumeist an dem was die Literatur so her gibt.

Große kommerzielle Horizontal-Windräder können wohl an die 50% Wirkungsgrad aufweisen, zumindest behaupten das die Hersteller.
Kleinere Horizontalläufer haben dann vielleicht 40-45%.
Horizontalwindräder in Bastelgrösse dürften geschätzt irgendwo zwischen 30 und 45% liegen.

Vertikalrotoren liegen im Wirkungsgrad bislang immer noch unter den Horizontalläufern.
Die Auftriebsläufer unter den Vertikalen haben dabei einen höheren Wirkungsgrad als die Widerstandsläufer,
deren Flügel vom Winddruck geschoben/gedrückt werden. Vertikale Auftriebsläufer können wohl bis an die 40% erreichen.
Kleine Modelle evtl. auch merklich weniger.

Die vom Wirkungsgrad schwächsten Vertikalrotoren, die Widerstandsläufer, liegen je nach Ausführung wohl irgendwo
zwischen 15 und 30%. So genau weiss das keiner.

Das ist aber alles mehr oder minder graue Theorie und gerade auf dem Gebiet der Wirkungsgradmessungen ist noch vieles ein weisser Fleck
auf der Landkarte.

Neben dem reinen Wirkungsgrad spielen auch andere Faktoren eine Rolle um sich für den einen oder anderen Bautyp zu entscheiden.
Im Kleinwindanlagenbereich spielt nicht selten der Spaß am Basteln eine grosse Rolle hinter der rein nüchtern sachliche
Betrachtungen oftmals zurück treten müssen.

Um es nochmal zu verdeutlichen, einen Eigenbau vergleichbar zu machen ist nur schwer bis gar nicht möglich weil die Rahmenbedinungen
bei einem Standardaufstellungsort im Garten keine wirklichen Vergleiche oder Vergleichsmessungen zu lassen.

Grüsse

Bernd
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Rollergert » Mo 8. Apr 2013, 16:46

Danke, Bernd.

Das mit dem Spaß und den Kosten ist schon klar. Ich glaube, daß wohl die meisten hier kein Geld damit verdienen (wollen/müssen).

Aber wenn man die Sache bierernst anginge, spielten solche Vergleichbarkeiten doch eine große Rolle.
Derzeit ist das vorherrschende Windkraftwerk das dreiflügelige mit waagrechter Achse an einem hohen Mast.
Vielleicht, weil man da die längste Erfahrung mit hat und den Wirkungsgrad (respektive Kilowattstunde im Verhältnis zum Kapitaleinsatz) in entsprechende Höhen treiben konnte.
Ich denke, vertikale Rotoren sind berechnungstechnisch ungleich schwerer zu erfassen, da sich die Blätter zusätzlich noch gegenseitig stark beeinflussen.
Und dann gibt es ja auch noch die gesteuerten Rotoren, über die ich hier noch nichts Richtiges gelesen habe oder Sachen, die sich des Magnus-Effektes bedienen. Berechnungstechnischer Horror.

Ich könnte mir deshalb gut vorstellen, daß in gar nicht so ferner Zukunft Dreiblattrotoren an Masten eher nostalgisch wirken, weil es da längst andere Sachen gibt, die mehr rausholen können.
Oder aber billiger in der Erstellung und dem Unterhalt oder aber günstiger vom Platzbedarf her sind.
Gruß vom Gert
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Bernd » Mo 8. Apr 2013, 18:28

Hallo Gert,

mir fällt immer wieder aus das du bei vielen Dingen eine ganz ähnliche Auffassung hast wie ich.
Das gilt unter anderen auch für den Punkt "Holz als (vegessenes) modernes Konstruktionsmaterial".

Die schlechter Vergleichbarkeit bzw. sagen wir lieber die schlechte Messbarkeit dessen was ein Kleinwindrad zu leisten
vermag ist unter anderen der Grund dafür warum es kaum eine aufkeimende Branche gibt in der so unverblümt gelogen
wird das sich die Balken biegen. Es gibt unzählige Beispiele wo leichtgläubige Kunden über den Tisch gezogen wurden.

Ein Traum wäre einen grösseren Windkanal zu besitzen/bauen und dann eine Art "Stiftung Warentest der Windräder" aufzuziehen.
Gleichzeitig könnte man dort prima eine Weiterentwicklung der Vertikalrotoren voran treiben.
Das wäre mal was für die Rente. :)

Grüsse

Bernd
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Rollergert » Mo 8. Apr 2013, 19:36

Das hielte ich für eine gute Sache.
Man kann so was aus relativ einfach zu erhaltenden Bauteilen bauen, um z.B. bei einem vertikal drehenden Rotor die Wirkung von Anstellung und Form der Profile und eventuellen Hilfsflügeln über einen einfachen E-Motor als Bremse messen.

Ich bin da überhaupt nicht fit in Eurer Materie, aber wenn ich bastele, möchte ich auch die Hintergründe verstehen.
Sonst wirds nur eine Herumprobiererei. Muß ja auch nicht gleich mathematisch abgehandelt werden.
Aber ein praktisches Gefühl für etwas Aerodynamik bringe ich vom Amateurflugzeugbau her, dem ich aber kaum noch fröne, seit mein Schein abgelaufen ist, schon mit.
Die Problemstellung ist ja sehr ähnlich.
Gruß vom Gert
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Famzim » Di 16. Apr 2013, 20:09

Hallo Gerd

Mal ein paar aerodynamische Gedanken zum Vergleichen.
Da kleine und große Anlagen mit der gleichen Windgeschwindigkeit klar kommen müßen, werden die Profile mit gleicher Geschwindigkeit angeströmt.
Große haben aber "tiefere" Flächen und eine höhere Re Zahl und darum günstigere Widerstandsbeiwerte.
Das kommt durch die grössere Luftmenge die diese Flächen beeinflußen können.
Ich denke mir das so:
Eine 10 cm tiefe Fläche beeinflußt die Luft auch in eine "Höhe" von 10 cm also 1 dm² wenn man von der Seite zusieht.
Ist die Fläche dann 20 cm tief ist der einfluß auch in der Höhe 20 cm hoch.
Das sind dann von der Seite 2 dm mal 2 dm gleich 4 dm² und darauf folgt, mit 2 fache Fläche mit ihrem Luftwiderstand, wird 4 mal so viel Luftmasse beeinflust, und das zeigen die günstigeren Re Zahlwerte an.

Denke ich mal weiter in diese Richtung, hat ein H Rotor mit den Maßen 1 m mal 1 m einen Inhalt von 1 m³ .
Bei der verdoppelung der Abmessungen aber 2 X 2 X 2 = 8 fachen Inhalt der die Energie überträgt, vom Umfeld der ausweichenden Luft mal abgesehen.
Und das für nur 4 facher Angriffsfläche.
Ich denke das dadurch auch bei grösser werden einer Anlage, der Wirkungsgrad ansteigt bis zu einem Maximum.

Dem Wind wird ja auch durch abbremsen seiner Geschwindigkeit die Energie entzogen.
Er ist darum hinter dem Rotor langsamer und braucht etwas mehr an Abströmquerschnitt.
Bei doppelter Geschwindigkeit hat die Luft aber die 8 fache Energie .
Entnehme ich davon dann 50 % hat sie nicht die halbe Geschwindigkeit sondern immer noch ~ 80 %.
Sie hätte also nur 1/5 eingebüst, da klingt 50 % Wirkungsgrad garnicht so Ilusorisch.
Ich meine ja nur bloß :)

Gruß Aloys.
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Bernd » Di 16. Apr 2013, 20:45

Interessante Überlegung das das Volumen eines Rotors um das 8fache ansteigt wenn man seinen Durchmesser nur verdoppelt.
Ich glaube auch das grössere Dimensionen positiv für den Wirkungsgrad sein könnten.

Ich habe hier noch die Antriebsventilatoren für einen Windkanal mit 1 bis 1,5m im Quadrat.
Aber irgendwie werde ich ihn wohl nie verwirklichen befürchte ich.
Mit dem könnte man so schön forschen. :)

Grüsse

Bernd
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Rollergert » Di 16. Apr 2013, 22:12

Mit den Proportionen ist das immer so eine Sache.
Wenn man z.B. den Hubraum eines Verbrennungsmotors bei geometrisch unveränderten Proportionen auf acht Zylinder verteilt, die Einzelzylinder also maßstabsgerechte Verkleinerungen im Verhältnis 1:8 sind, leistet dieser Motor ziemlich genau das Doppelte des hubraumgleichen Einzylinders...., und trotz ungeheuer höherer Drehzahl mit gleicher Kolbengeschwindigkeit.

Auch der Begriff "Wirkungsgrad" will mir bei einem Windkraftwerk nicht so recht in den Kopf.
Im Gegensatz zu einem Verbrenner, dessen fossile Energie ich kaufen und zuführen muß, weht der Wind ja kostenfrei.
Für den Nutzer (und damit dem Konstrukteur) ist deshalb eine hohe prozentuale Ausnutzung der Windenergie kaum interessant.
Viel eher dagegen das Verhältnis von absolut erzeugter Energie und dem eingesetzten Kapital (und/oder Boden).
Eine "schlechte" große Windenergieanlage wird ja trotzdem mehr Energie in kw/h liefern als eine "gute" kleine, wenn sie denn nur groß genug ist. Und der "nicht verbrauchte" Wind kostet den Betreiber ja nichts.

Das macht ja den Vergleich von Konzepten und Konstruktionen so schwer.
Ich hoffe, das kam jetzt verständlich rüber.
Gruß vom Gert
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Re: Vergleichbarkeit der Leistungsfähigkeit

Beitragvon Bernd » Mi 17. Apr 2013, 07:07

Einen möglichst guten Wirkungsgrad bei der Konstruktion eines Windrades zu erzielen ist keineswegs für den
Konstrukteur eher uninteressant sondern genau das Gegenteil. Dieser Punkt spielt eine sehr große Rolle denn
einfach nur grössere Windräder mit schlechteren Wirkungsgrad zu bauen scheitert bei den kommerziellen schon
an der puren Grö0e; immerhin sind wir da mittlerweile bei 126m Durchmesser.

Im privaten als auch im kommerziellen Bereich bedeutet eine Erhöhung der Baugrösse regelmässig auch deutlich höhere Kosten, Aufwand und Risiko.
Deshalb ist ein hoher Wirkungsgrad ein sehr erstrebenswertes Ziel, egal ob kommerziell oder Hobbywindrad.

Erst wenn man aus sich, aus welchen Gründen auch immer, auf eine bestimmte Bauart des Windrades festgelegt hat
muss man sich zwangsläufig damit trösten das man das Windrad zur Erreichung der erwünschten Leistung ja etwas grösser bauen kann.
Grundsätzlich ist ein hoher Wirkungsgrad aber konstruktiv ein sehr erstrebenswertes Ziel.

Grüsse

Bernd
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