Strömungsabriss??

[Tobinator]

Hi,

Ich habe folgende Fragen:

1. Wie ist das bei diesem Profil mit Strömungsabriss? Treten da nicht hohe Verluste auf gegenüber dem normalen Flügelprofil?
2. Lese ich das aus den Diagrammen richtig ab, das diese Rotoren hauptsächlich für niedrige Drehzahlen ausgelegt sind? In den meisten Diagrammen, die ich hier gefunden habe liegt die höchste Leistung bei 60-80 U/min. Ist das nicht ziemlich niedrig? In dem Video h_rotor_winter_4.avi erreicht der Rotor eine Umlaufgeschwindigkeit von ca. 33 km/h, was nach meiner Rechnung ca. 5,8 U/sec, bzw 350 U/min liegt. Wie hoch ist da die Leistung?

Was hat dieses Profil gegenüber dem "normalen" für Vor-/Nachteile?

Gruß Tobias.

[Bernd]

Hallo Tobias und herzlich willkommen in unserem Forum

Der C- Rotor ist rein äusserlich dem Darrieusrotor, also dem H-Rotortyp mit den "klassischen"
Flügelprofilen recht ähnlich, seine Wirkungsweise ist aber eine andere. Der C- Rotor hat zum
Beispiel im Stand sein höchstes Drehmoment, wodurch er gut auch rastende Generatoren, wie
z.B. einen Nabendynamo, sehr leicht andrehen kann. Der Darrieus H-Rotor hat im Stand sein kleinstes
Drehmoment, weswegen er sehr schlecht bis gar nicht ohne zusätzliche Anlaufhilfe auskommt. Erst
bei höheren Drehzahlen steigt dessen Leistung in einen nutzbaren Bereich.

Bei unseren bisherigen Messungen war der C- Rotor bei Modellen der Grösse 50 x 50cm unserem
Darrieusrotor Testmodell in der Energieausbeute sogar überlegen. Insbesondere die Tatsache des hohen
Drehmoments bei tiefen Drehzahlen erwies sich als sehr positiv.

Der Darrieusrotor arbeitet nach einem anderen Wirkprinzip, er ist ein so genannter "Auftriebsläufer" der
seine Leistung aus seiner hohen Drehzahl, bei sehr geringen Drehmoment, schöpft. Die im Verhältnis zur
Windgeschwindigkeit hohe Umfangsgeschwindigkeit des Darrieusprinzips basiert auf diesem Auftriebsprinzip,
für das eine homogene Umströmung des Flügelblattes erforderlich ist. Reisst diese Strömung ab, dann
sinkt der Wirkungsgrad des Darrieusrotors erheblich ab.
Der C- Rotor arbeitet da etwas anders. Seine Rotorumfangsgeschwindigkeit ist viel geringer,
weil seine Flügel von dem Wind, den die Leitflächen in den Vorflügel hinein drücken, angetrieben werden.
Die Flügel werden (vereinfacht gesagt) gewissermassen vom Wind "geschoben". Diese Rotorbauart benötigt
dafür naturgemäß keine klassische Umströmung der Rotorblätter und daher kann auch keine Strömung abreissen.
Es ist in gewissen maße mit dem Savonius Prinzip vergleichbar.

Die Diagramme zeigen Messungen die bei einer bestimmten, recht geringen, Windgeschwindigkeit aus Ventilatoren
bei einer Messung im Wohnzimmer entstanden sind. Die (geringe) Windgeschwindigkeit war dabei immer dieselbe.
Deshalb lag die optimale Drehzahl in dem von Dir genannten Bereich. Der Rotor ist natürlich auch für hohe Windgeschwindigkeiten
geeignet. Es sei noch einmal gesagt das sich die Nutzleistung die ein Rotor erzeugen kann aus dem Produkt von
Drehmoment und Drehzahl zusammen setzt. So ist ein schnell drehender Rotor keinesfalls immer der "stärkere" oder
bessere Rotor, auch wenn das zunächst vielleicht optisch so erscheinen mag.

In dem von Dir genannten Video zeigt der Fahrradtacho eine Geschwindigkeit von ca. 33,8 km/h an. Die Vorgabe
im Tacho für die "Radlänge" war so eingestellt (1,666m), das die Anzeige in km/h der Rotordrehzahl durch 10 entspricht.
Das heisst der Rotor drehte in dem Moment mit ca. 338 U/min. Ich hatte die Leistung die der Rotor in dem Moment
an seiner Welle abgeben konnte nicht ermittelt, denn es war arschkalt bei dem scharfen Wind da draussen.
Man spürte aber, wenn man die Rotorwelle von Hand festhielt, schon deutlich die Kraft mit der dieser kleine Rotor
loslegen wollte. Grundsätzlich kann man sagen das der Wind seine Leistung verachtfacht wenn sich die Windgeschwindigkeit
verdoppelt.

Vorteile des Cansteinprinzips:
Enormes Drehmoment schon bei tiefen Drehzahlen, das auch mit "schwergängigeren" Nutzungen gut klar kommt.
einfacher Aufbau, keine komplizierte Flügelstruktur, simple Materialien reichen für den Bau.
Wirkungsgrad auch bei kleinen Baugrössen gut, daher gute Eignung auch für kleinere Modellgrössen (gerade
das ist oft ein Problem bei Windrädern nach Auftriebsläufer Prinzip)
leichtes Andrehen auch bei geringen Windgeschwindigkeiten
nahezu lautloser Betrieb, der Rotor besitzt nicht das typische Peitschengeräusch einiger anderer Rotorkonstruktionen
verringertes Verletzungsriskio durch relativ geringe Rotordrehzahlen
hohes Beschleunigungsvermögen, daher gute Ausnutzung energiereicher Windböen.
funktioniert sogar als Einflügler !! Ein absolutes Novum unter den Vertikalrotoren.
windrichtungsunabhängig, kommt bestens mit böigen Wind aus unterschiedlichen Richtungen klar, wie er sehr
oft in Bodennähe anzutreffen ist.
und nicht zu letzt, sieht auch noch interessant und nicht so gewöhnlich aus !

Nachteile:
Unter perfekten Windbedingungen, wie auf hohen Masten anzutreffen, vermutlich geringerer Wirkungsgrad
als einige Horizontalrotoren. (Noch nie wirklich ausgemessen, aber vermutet)
Hmm..... lol... mir fallen echt derzeit keine weiteren Nachteile ein, aber ich denke weiter drüber nach

Grüsse

Bernd

[Harzer]

Hallo Tobias, willkommen

Vielleicht sollte man noch erwähnen das die von Bernd angesprochenen perfekten Windbedingungen meist in größeren Höhen liegen.
In der "Nähe" des Erdboden und dazu rechne ich alles was bis drei Meter über dem Dachfirst liegt, ist der Wind meist verwirbelt und ändert oft die Richtung. Das macht den Vertikalen wenig Probleme. Ein guter Vorteil.

[Tobinator]

Hey,
danke für die schnellen und sehr nützlichen Antworten.
Wir (Gruppe aus 4 Schülern der 12. Klasse) wollen unseren Rotor etwas größer bauen, so ca. 80-100cm hoch und ca. 100cm Durchmesser. Gibt es dafür schon Messwerte, bzw. wisst ihr, wie man da die Rotorblätter am besten formt? (Also Länge, Breite, ...)

[Bernd]

Ja dafür gibt es sogar schon Richtlinien zur optimalen Bemassung.

Vorab möchte ich euch noch fragen, was ist die Zielsetzung dieses Projektes, das ihr an eurer Schule
durchführt bzw. nach welchen Kriterien wird am Ende eur Einsatz beurteilt ? Geht es darum was das
Windrad energetisch erbringen kann ? Oder gibt es andere Zielsetzungen oder Vorgaben ? Das würde
mich persönlich einfach mal so interessieren.

Wirr haben durch unsere Messungen an dem (immer noch ziemlich unbekannten) C- Rotor bislang
folgende Richtlinien zum Bau dieses Rotortyps heraus gefunden:
Das Verhältnis zwischen der Breite des Vorflügels und der Tiefe der dahinter liegenden Leitfläche sollte
ca. 1:2 bis 1:2,5 sein. Für das Verhältnis zwischen "Flügelfläche zu Freifläche" auf dem Rotoraussenumfang
hat sich bisher ein Verhältnis von ca. 1 : 3,5 für einen 3 Flügler als gut heraus gestellt. (Hierfür alle 3 Flügel
Gesamttiefen zusammen rechnen und ins Verhältnis zum Rotorumfang bringen.)

Hier ein Link zu einer praktischen Berechnungshilfe mit der man, nach der Vorgabe eines Wertes,
die anderen Flügeldimensionen berechnen lassen kann.
http://www.dasWindrad.de/diverses/canst ... 1_2009.xls

Nun speziell für euch die zu erwartenden Rotordrehzahlen nach Windgeschwindigkeiten gestaffelt,
für einem C- Rotor von 1m Durchmesser.
Leerlaufdrehzahl ca. :
1m/s = 15,6 U/min
2m/s = 31 U/min
3m/s = 47 U/min
4m/s = 62 U/min
6m/s = 94 U/min
8m/s = 123 U/min
10m/s = 157 U/min
12m/s = 189 U/min

optimal durch Generator belastet ca. (Gipfelpunkt der Leistungskurve bei:)
1m/s = 9,4 U/min
2m/s = 19 U/min
3m/s = 28 U/min
4m/s = 37 U/min
6m/s = 56 U/min
8m/s = 74 U/min
10m/s = 94 U/min
12m/s = 113 U/min

Ihr seht die Drehzahlen liegen sehr niedrig, was nichts über die Leistung aussagt.
Habt ihr euch schon Gedanken um den Generator gemacht ?

Viel Spass weiterhin

Bernd

[Tobinator]

Ah, cool, das ist ja ein Traum hier - Man bekommt alles was man sucht und das auch sehr schnell ohne viel zu suchen^^
Besser gehts ja garnicht

Also unser Projekt soll eine mobile Windkraftanlage für den Outdoor-Bereich sein. Also ein Windrad (Art ist egal), das soviel Strom erzeugt, das man damit kleine Sachen im Camping-Urlaub betreiben kann, also z.B. eine Leselampes oder ein kleines Radio oder ein paar Akkus aufladen. Am besten sollen wir den Strom dann irgendwie zwischenspeichern (evtl. Autobaterrie oder viele kleine Akkus). Das ganze soll dann auch noch abbaubar sein, das man es mit dem Auto oder evtl. auch mit dem Fahrrad transportieren kann. Wir wurden in 3 Gruppen aufgeteilt zu je 4 Personen. Der Lehrer sagt zwar, wir müssen nicht unbedingt um den besten Wirkungsgrad kämpfen und zu viel Zeit investieren, aber irgendwo will doch jede Gruppe die beste sein .

Wegen dem Generator haben wir uns überlegt:
a) Wir nehmen ein Nabendynamo, die sind aber recht teuer (ist aber noch ok) und haben nur 3 Watt. Das ist denk ich mal zu wenig.
b) Alte Lichtmaschine von einem Moped, die könnte ich besorgen und die schafft auch mehr Leistung und dreht sich nicht so schwer wie eine Lichtmaschine vom Auto
c) Wir bauen selber einen Generator, da wissen wir aber noch nicht genau wie...

Irgendeine dieser Lösungen wirds dann wohl sein. Natürlich währen wir auch hier für Tipps dankbar

Grüße

Tobias

[Bernd]

Hallo Tobias
Ex freut mich das Dir der schnelle Infomationsfluss hier im Forum gefällt.
Bei der Windenergienutzung merkt man oft, das nicht das Windrad als solches ein grösseres Problem dar stellt,
sondern eher die Umwandlung der vorhandenen Rotationsenergie in elektrische Energie denn Generatoren
haben alle so ihre Tücken.

Bei dem von uns favorisierten C- Rotor gibt es wirklich sehr viele Vorteile, aber die Generatorauslegung
ist etwas schwieriger als bei sehr schnell drehenden Windrädern, denn die meisten Generatoren erzeugen
erst bei hohen Drehzahlen nennenswerte elektrische Leistung. Unser Lieblingsrotor dreht sehr langsam, dafür
aber sehr kräftig. Das heisst man muss einen Generator finden, der in etwa zu diesen Eigenschaften passt.
Deshalb funktionieren gut Generatoren die speziell für sehr langsame Drehzahlen konzipiert wurden,
wie z.B. der für kleine Rotorgrössen sehr gut passende Nabendynamo oder Generatoren die über ein Getriebe
verfügen das die Drehzahl des Generators erhöht.

Ich staune das ihr gleich einen ca. 1m² grossen Rotor bauen wollt, denn ich schätze ihr werdet bestimmt verwundert sein
das der in Natura nicht mehr so klein wirkt wie die 1Meter Durchmesser vielleicht klingen. Auch wird es schon
etwas schwieriger diese Grösse noch auf einfache weise transportabel zu gestalten. Ihr solltet auch auf keinen Fall
die hohen mechanischen Kräfte unterschätzen, die an der ganzen Konstruktion bei Sturm zerren. Der Nabendynamo
wäre für einen 1Meter Durchmesser klar unterdimensioniert. Für einen Rotor von 50 x 50cm (wie in den Videos)
wäre er bei geringen bis mittleren Windgeschwindigkeiten ideal (die auf einem Campingplatz meist vorkommen)
zumal das ganze ja vermutlich nicht soo teuer werden soll. Ein Nabendynamo liegt bei etwa 20 Euro bei Ebay plus Versand.
Auto- oder Motorradlichtmaschinen scheiden als Generator (ohne Getriebevorsatz) für einen Vertikalläufer dieser
Grösse eingentlich aus denn diese Lichtmaschinen sind für weit höhere Drehzahlen entwickelt worden.
Die zweite Gruppe die im Kleinwindforum schrieb, haben einen schönen 120V Gleichstrommotor mit Permanentmagneten,
den man sehr gut als Generator für schnell drehende Windräder benutzen kann, geschenkt bekommen. So ein ähnlicher
Generator wäre mit einem kleinen Getriebe evtl. auch was für den C- Rotor mit 1m Durchmesser.

Auf der Suche nach dem passenden Generator, der wie gesagt auch ein Elektromotor mit Dauer- bzw. Permanentagneten
sein kann, müsst ihr auf die Angabe der Nenndrehzahl sowie auf die Angabe der Nennspannung achten. Die Drehzahl
sollte niedrig liegen, die Spannung möglichst hoch. Motoren eines E-Scooters mit einer vorgeschalteten kräftigen Übersetzung
wären evtl. auch eine Alternative. Wichtig ist das ihr den Generator durch eine Übersetzung auf eine Drehzahl
bringen könnt, bei der er genug Spannung erzeugt. Die Auflistung der Drehzahlen weiter oben wird euch dabei eine gute
Hilfe sein. Es gibt nur wenige Generatoren die bei diesen Drehzahlen schon ohne Getriebe auskommen. Ein 50cm Rotor
würde übrigens doppelt so schnell rotieren, was das ganze etwas einfacher macht und wiederum prima zur "Fertiglösung"
Nabendynamo passen würde .

Ich persönlich würde das Windrad für diesen Einsatzzweck auch nicht unbedingt darauf auslegen bei Sturm hohe
Leistungen zu erzielen, denn hohe Windgeschwindigkeiten sind eher selten anzutreffen, erst recht in der Höhe in der
man ein transportables Windrad nutzen kann. Wichtig finde ich persönlich eher das man recht frühzeitig etwas Energie
in seine Akkus bekommt, auch wenn die Ladeleistung dann nicht so hoch ist, denn meistens weht der Wind nicht soo stark.
Super Leistung bei sehr hohen Windstärken würde einem im real life dann wenig bringen.

Die Selbstbauvariante wäre auch noch eine tolle Alternative, aber keineswegs eine einfache und auch keine kostengünstige.
Allerdings kann man durch Selbstbau z.B. einen "Scheibengenerator" mit grossen Durchmesser bauen, der kein Getriebe
benötigt und sehr verlustfrei arbeitet. Ich sah neulich ein tolles Projekt, ebenfalls von Schülern, die genau so einen
Generator selber bauten und dafür Ferritkerne vewendeten. Ich glaube es war sogar hier im Forum wo ich das sah.
Wenn ihr an Selbstbau denkt, dann bringt Zeit mit, denn der Aufwand ist dabei schon etwas grösser. Vielleicht findet
ihr den Thread wo über dieses Schulprojekt berichtet wurde.

Grüsse

Bernd

[Tobinator]

Hi,
Sry, das ich erst so spät antworte, aber ging wirklich nicht eher...
Danke für die Tipps, aber ich hab noch eine Frage:

Wie ist das mit dem Wirkungsgrad im Verhältnis zu einem Darrieus-Rotor in der gleichen größe?
Und gibt es eigentlich schon Berechnungsformeln für Leistung und vermutete Drehzahl und sowas?

Gruß

Tobias.

[Bernd]

Hallo Tobias
Bei den Wirkungsgraden wird meist gelogen das sich die Balken biegen. Gerade bei kleinen Windrädern ist
der Wirkungsgrad meist nicht so hoch, das liegt an einigen komplexen aerodynamischen Zusammenhängen.
Nach meinen bisherigen Erfahrungen schliesst der Darriesurotor in kleiner Bauform ziemlich schlecht ab.
Ich habe mal Test durchgeführt mit gleichen Rahmenbdingungen wo der Darrieus von drei getesteten 50cm Rotoren
den geringsten Wirkungsgrad erzielte. Ein "schlauer" Mensch sagte mir warum der Darrieus so schlecht abschnitt, ich
sollte kleinere Profile verwenden, meine wären viel zu gross. Ich tat wie er es vorschlug mit dem Ergebnis das dann
gar nichts mehr ging... Das Darrieusprinzip ist sicher gut, aber nicht für Rotoren der Baugrösse die ihr vorhabt
zu bauen. Das ist zumindest meine fest Überzeugung. Der Darrieus kommt nicht auf die nötige Schnelllaufzahl
und seine Abgabeleistung bleibt gering.

Ganz nebenbei gesagt, normal rotiert ein Darrieus mit ca. 5 facher Windgeschwindigkeit was bei kräftigen Wind zu
extrem hohen Drehzahlen führen kann. Diese hohe Rotationsgeschwindigkeit bringt einige nicht ganz ungefährliche
Risiken mit sich, denn es befindet sich eine menge kinetische Energie im Rotor die jemanden ernstlich verletzen
kann, der mit einem so schnell drehenden Rotor in Kontakt kommt. Das gleiche gilt, wenn sich de Rotor durch die
hohen Drehzahlen zerlegen sollte.

Einen Absolutwert für den Wirkungsgrad unseres noch relativ unerforschten C- Rotors kann ich Dir nicht nennen,
weil wir diesen bislang noch nicht ermitteln konnten, denn dafür braucht man sehr konstante Windbedinungen ähnlich
eines Windkanals. Ich könnte jetzt irgend eine Prozentzahl sagen, aber das fände ich nicht ehrlich.
Nur soviel, ganz schlecht scheint er nach unseren bisherigen Tests nicht zu sein.

Wirkungsgradangaben sind auch immer mit Vorsicht zu geniesen, denn der Wirkungsgrad wurde immer unter idealen,
verwirbelungsfreien Bedingungen bei konstanter, perfekter Anströmung ermittelt. Diese Bedingungen hat man in der
realen "Wildnis" praktisch nie. Es gibt Konstruktionen die kommen dann gut mit dem verwirbelten "schlechten" Wind
in Bodennähe klar, z.B. Savonius und überhaupt viele Vertikalläufer, aber es gibt auch Konstruktionen deren Wirkungsgrad
unter schlechten Windbedingungen unter Umständen stark sinkt.
So kann es durchaus sein, das ein Vertikalläufer trotz "auf dem Papier"schlechteren Wirkungsgrad am Ende unter Realbedinungen
dennoch mehr Energie liefert als z.B. ein Hochleistungs Horizontalwindrad, das sich permanent auf die sich ständig
wechselnden Windrichtungen eines böigen Windes neu ausrichten muss und dabei kaum zum "ernten" des Windes kommt.

Ihr möchtet natürlich Zahlenwerte haben und nicht lange Ausführungen von mir hören, aber ich will da wirklich
ehrlich zugeben das wir derzeit so einen Wert nicht liefern können. Der C- Rotor zeigt aber auch bei kleinen
Baugrössen nicht die Wirkungsgradnachteile die zum Teil bei Auftriebsläufern auftreten können. Dadurch hat er
gerade in dieser Baugrösse gewisse Vorteile zu bieten.

Eine Berechnungsformel für die Drehzahl gibt es auch. Die Formel zur Berechnung der optimalen Nutzdrehzahl des
C- Rotors (Gipfelpunkt der Leistungskennlinie) lautet:

Windgeschwindigkeit (in Meter pro Sekunde) mal 10 durch Rotordurchmesser (in Metern) = optimale Nutzdrehzahl in U/min.
(Dabei ist eine Abbremsung des Rotors auf ca. 60% seiner Leerlaufdrehzahl duch den Generator bereits mit einberechnet.)

Beispiel für 1m Durchmesser : Windgeschwindigkeit (5m/s) mal 10 durch Rotordurchmesser in Metern (1) = 50 U/min
Beispiel für 1,5m Durchmesser : Windgeschwindigkeit (5m/s) mal 10 durch Rotordurchmesser in Metern (1,5 ) = 33,33 U/min
Beispiel für 0,5m Durchmesser : Windgeschwindigkeit (5m/s) mal 10 durch Rotordurchmesser in Metern (0,5 ) = 100 U/min

Für die Abgabeleistung je nach Windgeschwindigkeit kann ich dir aufgrund der Tatsache das wir noch keine genaue
Wirkungsgradermittlung machen konnten und auch keine erfundenen Wirkungsgrade nennen wollen, keine genauen
Zahlenwerte nennen. Alles andere wäre Täuschung, Kristallkugel oder schlicht zusammen gereimt und das wollen wir nicht.
Wir versuchen möglichst objektive und ehrlich Werte zu nennen.

Grüsse

Bernd