C-Rotor, Planung & Bau 1300x2500 Projekt 2013

[AndreasM27]

Guten Tag liebe Forengemeinschaft,
Nachdem ich mich nun etwas länger mit erneuerbare Energien beschäftige und bereits eine 40KwP Solaranlage instaliert habe, hat mich das Thema Windenergie gepackt.
Nun möchte ich gerne ein Vertikales Windrad Aufstellen. Den Papierkram habe ich bereits hinter mir und habe die Städtische Erlaubnis bei mir im Garten bis 10m bauen zu dürfen.
Materialtechnisch sitze ich an der Quelle von Aluminium Profilen, Stangen und Bleche.
Für die C-Rotor Variante habe ich mich entschieden da die Flügel relativ im vergleich einfach herzustellen sind und eine hier im Forum veröffentliche vergleichsbeschreibung hat mich so sehr inspieriert das es auch der C- sein soll. Zumal er mir auch Optisch am meisten zusagt.
Mein erstes Strom produzierendes Windrad dachte ich mir mit einem Durchmesser von ca 1,4m und einer Flügelhöhe von 4x 2,5m und das ganze soll dann auf einem 6-7 meter Masten montiert werden.
Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit bei uns in Hamm (NRW) liegt bei 3,4-3,8m/s in 10 Meter höhe welche von einem Nachbarn mittels einer Wetterstation ermittelt wurde.
Das System sollte auf 12-24Volt basieren für meine Garten und Garagenbeleuchtung sowie bewässerung. Also Speicherung in Bleigelakkus.

Ich bin Handwerklich begabt und habe Elektrische Grundkenntnisse nur leider mangelt es mir ein wenig an Mathewissen.
Aus diesem Grund hätte ich da ein Paar Fragen an euch Profis.
Die Flügelbreite dachte ich mit 35cm Anzusetzen (also 3,5m² Fläche) ist das ausreichend oder muss dieses Verhältnist von 3-3,5 zum Durchmesser eingehalten werden? und wenn warum? hat das etwas mit der Drehzahl zutun?
Das vorne am Flügel angesetzte "C" welchen Durchmesser sollte ich da in etwa nehmen?
Welche Generatorstärke (Watt) kann ich an dieser Flügeldimensionierung in etwa Anschließen. Muss es ein Scheibengenerator sein oder kann ich da auch mit einem Bürstenlosen Generator mit übersetzung arbeiten?

Zum thema Experimentieren habe ich bereits eines mit 2 Flügeln H=30cm B=20cm Durchmesser 70cm erfolgreich mittels Dynamo und LED´s seit gut 6 Monaten Schadenfrei am Laufen


Ich hoffe das sich hier ein paar Spezi´s etwas von meinem Anliegen annehmen und mir da eventuell ein wenig helfen können.
schonmal vielen Dank im Vorraus

Prototyp 2

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Gruß Andreas

[Bernd]

Hallo Andreas und herzlich willkommen hier im Forum.

Ich freue mich das du einen C-Rotor bauen willst und noch mehr freue ich mich das es kein kleines Modell,
sondern eine Baugrösse werden soll mit der man auch schon etwas Leistung ernten kann.

Zu deinen Fragen:
Die Größe der Flügel, die Breite des Vorflügels etc. haben zwar einen gewissen Einfluss auf die Drehzahl aber
das ist nicht so dramatisch wie man vielleicht vermuten würde.
Grundsätzlich ist der C-Rotor ein Langsamläufer der immer langsamer als die Windgeschwindigkeit dreht.
Genauer gesagt bewegt sich der Rotoraußenumfang mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Windgeschwindigkeit.
Unter Last dreht der C-Rotor so mit ca. 0,6 bis 0,7 des Wertes der Windgeschwindigkeit.

Erst vor kurzen hat unser User Felix Alias Resistance eine super Doku zum C-Rotor ins Forum gestellt die viele zuvor
unbeantwortete Fragen löste.
Da der C-Rotor zum überwiegenden Teil als so genannter Widerstandsläufer arbeitet, müssen seine Flügel als auch die
Öffnung des Vorflügels eine gewisse Größe aufweisen um genug Wind einfangen zu können der die Flügel voran "schiebt".

Die Flügeldimensionen beziehen sich dabei immer auf den Rotordurchmesser.
Die Flügel müssen einen gewissen Anteil des Rotorumfangs abdecken um genug Wind einfangen zu können.
Bislang gingen wir von einem günstigen Verhältnis zwischen Gesamtflügelabdeckung und Rotoraußenumfang von etwa 40% aus.
Das heisst alle Flügeltiefen zusammen genommen würden 40% des Rotorumfangs abdecken.

Nach Felixs wunderbarer Forschungsarbeit scheint es sicher das eine noch höhere Flügelabdeckung auf dem Rotorumfang,
man nennt das auch die "Solidity", förderlich sein könnte.

Bei der von Dir bisher angedachten 35 cm Flügeltiefe (Breite) wären es 4 x 35cm = 1,4m Gesamtflügeltiefe.
Dein Rotor hat angepeilte 1,4m Durchmesser
Der Rotor hat somit: 1,4m * 3,14 = ca. 4,4m Rotorumfang

4,4m Rotorumfang und 1,4m Gesamtflügeltiefe bedeuten das die Flügel noch etwas zu klein wären um eine ordentliche Ernte
einfahren zu können.
Wenn wir mal von unserer bisherigen Empfehlung: "Gesamtflügeltiefe = 40% Rotorumfang" ausgehen dann sollten es in deinem
Falle: 4,4m * 0,4 = 1,76m sein.
1,76m durch 4 = 44cm Blatttiefe pro Flügel

ca. 45cm wären also nach unseren bisherigen Empfehlungen ok gewesen, es darf aber ruhig etwas mehr sein.
Ich würde Dir eine Flügeltiefe von 50 - 55 cm empfehlen. (incl. Vorflügel)

Mehr später.

Grüsse

Bernd

[AndreasM27]

Wow danke Bernd für deine schnelle und Informative Antwort.
ich werde mir mal die online gestellte Bachelor doku mal genauer anschauen und mich auch ein wenig an diese berechnungen halten es scheint mir als ob der Autor sich wirklich intensivst damit beschäftigt hat
Dennoch bleibt eine ungefähre generatorgrösse offen und wie ich diese dann lösen kann?
Gruß Andreas

[vm]

Hallo Andreas

Muss es ein Scheibengenerator sein oder kann ich da auch mit einem Bürstenlosen Generator mit übersetzung arbeiten?

Ein Scheibengenerator ist ein Bürstenloser Generator und ein Getriebe wirst du in jedem Fall brauchen.

Für einen Direktantrieb müsste jeder Generator bei dieser geringen Drehzahl einen sehr großen Umfang und entsprechende Kupfer und Magnetmengen besitzen was sich nicht Rechnen würde

An was genau hast du als Alternative zum Scheibengeni gedacht ?

mfg.Volker

[Bernd]

Hallo Andreas,
jetzt habe ich mir erstmal deinen "Prototypen" angeguckt. Wenn ich das recht erkenne dann wird der Dynamo mit Hilfe
eines Reibrades unter dem C-Rotor angetrieben.
Kannst du etwas dazu sagen wann der Rotor anläuft ? Mit Hilfe deines kleinen Rotors wirst du schon ein gewisses Gefühl dafür
bekommen haben welches Drehmoment diese Bauart entwickelt. Allerdings wird das etwas täuschen denn die Flügel sind bezogen
auf den Durchmesser sehr zierlich, das heisst es wäre noch viel mehr drinn.

Wo wir schonmal beim Thema sind, du fragtest welche Leistung du dem ganzen entnehmen kannst bzw. was für ein Generator
passend wäre.
Grundsätzlich kann man das anhand der Fläche des Windrades abschätzen die es aus Sicht des Windes bildet, also Höhe mal Breite.
Bei Dir wären es nach bisheriger Bemaßung ca. 1,4 mal 2,5m = 3,5m²
Jetzt muss man sich noch überlegen bei welcher Windgeschwindigkeit man die Maximalleistung ernten möchte.
Oft werden 12m/s angenommen, manchmal aber auch weniger denn 12m/s hat man normalerweise im üblichen Gartenszenario
nur sehr selten zur Verfügung. Apropo, ich sehe auf dem Foto viele hohe Bäume hinter dem Prototypen ?

Wir haben also 3,5m² Windradfläche.
Als Wirkungsgrad bei deiner Baugrösse wollen wir mal 20% unterstellen.
Jetzt können wir uns eine Formel schnappen oder einfach in der folgenden Grafik nachschauen wieviel Energie im Wind steckt.



Davon ist dann 20% das was du als mögliche Ernte erwarten kannst.
Als Beispiel:
Bei 12m/s stecken im Wind rund 1000 Watt je qm.
Das heisst das Wind trägt bei 12m/s ca. 3500 Watt in deinen Rotor ein.
20% dessen kannst du evtl. ernten, geht also in die Rotorwelle ein.
Das wären dann 3500 durch 5 = 700 Watt.

Das war eine Rechnung für sehr starken Wind.
Bei weniger Wind sinkt die Leistung ganz erheblich, nämlich auf ein achtel pro Halbierung der Windgeschwindigkeit.


Volker hatte Dir schon etwas zum Generator geschrieben. Ich bin ganz seiner Meinung.
Ohne Getriebe wäre ein Generatorbau bei den geringen Drehzahlen eines C-Rotors sehr teuer, insbesondere wenn du damit
Akkus laden willst, denn geringe Spannungen bedeuten fast regelmässig einen hohen Bauaufwand beim Generator.
Um ein Getriebe wirst du also nicht herum kommen.

Ganz prima würde für dein Bauvorhaben ein grosser Servomotor aus der Industrie mit einem angeflanschten Plantengetriebe passen.
Ich selber besitze etliche davon die ich allesamt bei Ebay ersteigerte. Es gibt auch einige Beiträge zu diesem Thema hier im Forum.
Preislich müsstest du da mit ca. 200 - 400 Euro für so ein Päärchen rechnen, selten weniger.
Alternativ könntest du z.B. auch den Scheibengeneratorbausatz aus dem Shop des Kleinwidnforums bauen und davor ein
Getriebe oder eine Zahnriemenübersetzung setzen. Günstiger würde das aber auch nicht, allerdings wäre der Anlauf früher
das Windrad würde also häufiger mal drehen bei wenig Wind, wenn auch dabei kaum was geerntet würde.

Grüsse

Bernd

[AndreasM27]

Hallo Bernd, Hallo Volker
Ich dachte mir einen Servomotor mit passender Übersetzung auf die Rotor-Maximaldrehzahl gesehen zu kaufen und das ganze auf etwa angepeilte 500W zu versuchen.
Die Grundüberlegung war das Windrad und eine Solarzelle mit 250Wp zusätzlich auf mein garagendach zu montieren geregelt über ein hybrid Laderegler mit Automatischer verbrauchersteuerung fals zuviel energie vorhanden ist.

[AndreasM27]

Ja der rotor läuft über ein Reibrad auf den Dynamo über was sicherlich nicht die optimalste kraftübertragung dar stellt aber es funktioniert dennoch recht gut also dreh beginn ist bei cirka 3,5 m/s die LED´s fangen bei gut 4,5-5m/s an zu leuchten was wie du schon sagst mit größeren flügeln sicherlich eher schon passieren würde da könnte ich das übersetzungsverhältnis größer stellen und das ganze würde eher anfangen zu "funktionieren".

Ich habe mich heute mal in unserem Betrieb nach "kostenlosen" Materialresten umgesehen folgendes habe ich gefunden 12x Alu Flachmaterial 80mm breit 10mm Dick und 600mm Lang, Blechstreifen glücklicherweise 4 Stück 415mm breit x 3mm Dick und 2500mm Lang, Alu Rohr 100mm Durchmesser 8mm Wandstärke 950mm lang...
Ich denke damit kann man schonmal arbeiten und das für "Lau"? ich habe direkt mal zugeschlagen
Mit einem Kumpel habe ich auch schon gesprochen der kann mir eine obere sowie untere runde aufnahme Platte inkl. löcher sowie die halterungen und endkappen für die Flügel Lasern.
Kugellager habe ich 4 Stk. 24mm FAG Leichtlauflager sowie ein Magnet Schulter Lager eine Welle kann ich mir von einem befreundeten betrieb günstig drehen lassen.

So gesehen passt das verhältnis zusammen das Flachmaterial 2x600 + 1 Rohr 100 ergeben 1300mm im durchmesser somit müsste mein blech eine breite von 408mm haben, zur verfügung stehen mir 415 welche ich dann nun so belassen würde.
Bzgl. der Statik schaut euch mal meinen ersten entwurf an so hatte ich mir das in etwa vorgestellt. genauere Zeichnungen mit bemaßungen u.s.w werde ich in nächster zeit erstellen.

Windrad Zeichnung Statik 1.jpg (29.6 KiB) 20181-mal betrachtet

Gruß Andreas

[AndreasM27]

Mich würde es allerdings auch interessieren ob es sinn machen würde wenn ich an dem Rohr in der mitte noch kleine Savonius Schaufen anbringen würde? Würden diese eventuell die Drehzahl etwas anheben?

[vm]

Hallo Andreas

Kugellager habe ich 4 Stk. 24mm FAG Leichtlauflager sowie ein Magnet Schulter Lager eine Welle kann ich mir von einem befreundeten betrieb günstig drehen lassen.

könntest du bitte das Magnet Schulter Lager etwas genauer vorstellen ? (mit Bildern ? )


mfg.Volker

[resistance]

Hallo Andreas,

einen Savonius würde ich nicht in die Mitte bauen. Sinnvollerweise kann man an eine Darrieus Rotor einen Savonius Rotor bauen um den sicheren Anlauf zu gewährleisten. Prinzipiell würde der Savonius schon die Drehzahl steigern, weil er einen kleineren Durchmesser hat, aber mit ähnlicher Umfangsgeschwindigkeit wie der größere C-Rotor laufen würde.
Ist nur die Frage was es dir bringt; die Steigerung wird nicht allzu groß ausfallen. Es ist für dich aber extra Bauaufwand und du bringst in den C-Rotor einen zusätzliche Versperrung mit ein, was sich wahrscheinlich negativ auswirken wird. Die Luft im C-Rotor wird dann zu stark gebremst, sodass zu wenig durchkommt.

Schaut so aus als würdest du das Windrad ganz ordentlich bauen. Bitte auch nicht am Mast sparen! Der Mast eines Widerstandsläufers muss ordenlich was aushalten, nicht nur die statische Last, sondern auch Vibrationen. Ein Gittermast scheint mir hierfür die beste Lösung. Schau mal hier:

http://idl-bnc.idrc.ca/dspace/bitstream/10625/23829/1/110902.pdf

Einer der ersten Versuche mit dem C-Rotor. Vielleicht hilft es dir.

Gruß Felix