Hallo zusammen,

nach nun einiger Zeit des Mitlesens, habe ich mich auch für eine Anmeldung im Forum entschieden. Als erstes kurz zu meiner Person, 23, aktuell in Berlin, Student Master Mechatronik. Ich beschäftige mich schon eine Weile mit erneuerbaren Energien und bin deswegen auf den Vertikalachser gestoßen.

Bevor ich mich nun in, für meine verhältnisse, umfassende Investitionen stürze, wollte ich zuerstmal eine kompetente Gemeinde um Ratschlägen bezüglich der Auslegung eines dreiflügligen H-Darrieus bitten.

Zu dem Konzept:

Es ist in der ersten Version eine VAWT geplant mit den Maßen Ø=1m H=1m, welches der Ladung einer Bleibatterie 100 Ah dienen soll. Die Steuerung erfolgt durch einen Mikrocontroller, welcher die Umdrehungen, den (gleichgerichteten) Generatorstrom und Spannung misst und parallel das Batteriemanagement übernimmt sowie die Daten des separaten Anemometers einliest. Die wichtigsten Daten sollen dann stündlich auf einer SD-Karte gespeichert werden. In einer erweiterten Version könnte auch eine "Pitch"-Regelung der Rotorblätter windrichtungsabhängig erfolgen.

Mein eigentliches Problem liegt jedoch in der Dimensionierung und Auslegung des Windrades, bisher habe ich mir folgendes Profil (angelehnt an Einfälle statt Abfälle) überlegt:

Profiltiefe: 200mm; Profildicke: 30mm; Länge: 1m



Der gesamte, spartanische Aufbau ist ebenfalls zu sehen, der Generator soll ein Permanentmagneterregter mit 100 W Nennleistung werden wie dieser:
PMG100 Die asymmetrischen Rotorblätter wollte ich mit der glatten Seite nach Außen bei einem Anstellwinkel von etwa 5° montieren.

Die Profile wollte ich aus Gründen der Einfachheit erst aus Balsaholz fertigen, was bedingt durch die Proortionen jedoch nicht so einfach möglich ist und somit bleibt mir lediglich das normale Holz, wobei ich Birke ins Auge gefasst habe. Das Gewicht würde dann bei ca. 2 kg pro Rotorblatt liegen.

Ich hoffe ihr könnt mir helfen, ob die Auslegung überhaupt funktionsfähig ist, eine zusätzliche Bremse (außer geplante Lastwiderstände und anschließendes Kurzschließen der Generatorphasen) nötig ist oder einfach allgemeine Tips zur Realisierung einer Schnellläufer-VAWT.

Vielen Dank im Voraus und beste Grüße aus der Hauptstadt
Sebastian

Hast du dir mal ausgerechnet, bei welcher Windgeschwindigkeit sein Windrad die 100W Nennleistung des Generators erreicht?

Hallo Ray,

theoretisch bei einer Windgeschwindigkeit von 9-10 m/s.

Der Aufbau sieht für mich zumindest einigermaßen plausibel aus.

Hallo Sebastian,

wenn Du eine Regelung auf TSR-Optimum schaffen willst, so ist dagegen nichts ein zu wenden. Als Vorstufe für größere Aufgaben könntest Du damit sogar noch berümst werden.
Der Darrieus lebt davon, möglichst immer nahe der optimalen TSR zu laufen. Hat mit der relat. spitzen Kennlinie Cp vs. TSR zu tun.
Ob nun TSR-Regelung oder Kennlinien-Anpassung WKA-Akku (was auch genügen dürfte und ohne Windsensor aus kommt), ohne Pulsweiten-Modulation und Speicherdrossel wird es nicht gehen. Das nennt man meines Wissens nach gemeinhin Flusswandler.

Wenn es sich nicht um ne sog. Insel-Versorgung handelt, stellt sich bei Akku-ladung übrigens sehr schnell die Frage, was machen mit dem gespeicherten Strom?
Dann besser gleich auf Netzeinspeisung aus legen. Zumal über die WR eine Kennlinien-Anpassung WKA-Netz möglich ist. Teurer ist das nicht!
Ein Link dazu: Forum/cf3/topic.php?p=39807#real39807 Mal auch die anderen Beiträge lesen!

Bezüglich Aufbau empfehle ich Dir, gleich auf diese grundsätzliche Form hin zu arbeiten: http://www.windtec.de/produkte/skyline-sl10/
Flügel müssen nicht gebogen sein.
Das mit dem Türmchen ist zwar kompromissloser auf Festigkeit zu berechnen. Hast aber immer ein enormes Kippmoment auf die Lager vom Generator, auch auf die Nabenverbindung.
Nun haben die Skylines einen Außenläufer als Generator. Wenn Du beim Innenläufer bleiben willst, kannst Du die Streben an einem Nabenstern befestigen:
2. Bild in Forum/cf3/topic.php?p=37516#real37516
Allerdings ist die Nabenpartie das Einzige, worum ich mir hier Sorgen machen. Erscheint bischen schwach. Bei den SKYSREAMs ist das wesentlich steifer.
Helix-Flügel sind aus meiner Sicht übrigens hauptsächlich ne optische Modeerscheinung. Deswegen verzichtbar. Machen alles komplizierter.
Die Funktionsintegration von Anlaufhilfen und Streben ist vorbildlich, drücken aber den Wirkungsgrad etwas.
Wirst Du auch brauchen, wenn Du bei Deinen kleinen Maßen bleibst. Zumindest im Freiland.

Möchte Dir übrigens einen anderen Generator anempfehlen: Bild in Forum/cf3/topic.php?p=39546#real39546
Vertragen bei guter Kühlung 30A Gleichrichtstrom.
Damit kannst Du mit den Maßen auch etwas größer werden. Denn solche Profile benehmen sich schlapp bei Reynolds-Zahlen unter 150 000 (Nicht in den Links vom 1. Beitrag verlaufen, sondern gleich zum Rechenbeispiel im Beitrag 2 vor stoßen!).
Kannst Du natürlich erst überprüfen, wenn Du die Blätter ausgelegt hast.
Dies bezüglich ist der Darrieus die schwierigste aller WKAs. Als Anhaltspunkt möge dieser Link gelten: Grafik in Forum/cf3/topic.php?p=19216#real19216
Nenn-TSR nicht unter 3! Entspricht übrigens auch etwa der Skysream. Und die läuft recht gut. Zumindest die 3 kW-Anlage auch tatsächlich bei der genannten Vw an.
Das wird möglich, weil das Profil ähnlich angeordnet ist, wie Du es machen willst.

Alledings rate ich Dir zu einem richtigen Profil, wie z.B. NACA 4418. Profilgeometrieen gibtb es z.B. hier: http://aerospace.illinois.edu/…abase.html
Von der Trash-Kultur vom Kuhtz halte ich bis auf einige witzige Einfälle nicht viel.
An der Stelle der größten Dicke ist das gezeigte Profil viel zu wenig rund, so dass Du bei höheren Anstellwinkeln viel zu früh in den Strömungsabriss kommst.
Die partiell hohen Anstellwinkel bei jeder Umdrehung sind aber eines der speziellen Probleme vom Darrieus.
Bei größeren Anlagen mit entsprechend hohen Re-Zahlen mögen selbst 15° noch verkraftet werden. Bei kleineren Anlagen nicht mehr!
Deshalb geh ruhig auf 2 m²! Es sei denn, es ist nur ein Studienobjekt für den Windkanal.

Die Festigkeit der Flügel ist eine weitere Herausforderung beim H-Darr.. Am schlimmsten sind übrigens die Fliehkräfte. Sie können 90% der Biegebelastung aus machen!
Das bischen Luftkraft kann man dann einfach mit dem Si-Beiwert erledigen. Letzterer übrigens mind. 3.

Festigkeits-Situation kann man eigentlich nur mittels FEM im Voraus ermitteln. Könnte Dir da helfen.
Kann sein, dass Du selbst Holzflügel noch mit GFK/CFK überziehen musst. Dann darfs sogar Balsa sein. Eleganter ist ne Konstruktion mit Styrodur-Schaumkernen, geschnitten mit dem heißen Draht.
Dort, wo die Strebenbefestigungen durchgeschraubt werden, Dickrippen aus Pappel(Sperr?)-Holz. Auch entsprechende Endrippen.
Überzug dann aus etwa 2 Lagen CFK. Anschließend spachteln, schleifen, UV-fest lackieren. Mit Epoxidharz arbeiten! Auch die Laminierung.

Gibt wunderbar leichte Flügel. Das ist wichtig, denn der Darr. ist vergleichsweise Träge.
Hat manchmal auch Vorteile. Eine 50-Jahres-Bö von 7s mit 3 s Maximum wird vermutlich regelrecht verschlafen.

Soweit erst mal.

Grüße, W.

Hui, da ist man ja fast ein wenig erschlagen .

Erstmal vielen Dank euch beiden für eure Meinungen, habe erst gedacht dass niemand antwortet (über 130 Aufrufe und 4 Antworten).

Deine Ausführungen erscheinen mir sehr umfangreich bzw in Folge dessen auch sehr arbeitsaufwändig, gleichzeitig aber auch kompetent.
Das Problem sehe ich bisher nur in der mechanischen Bearbeitung der Flügel, weil ich in dem Sinne nicht über die Räumlichkeiten und Möglichkeiten verfüge. Versuche also diesen, wenn auch wichtigen Part, möglichst gering zu halten.

An dieser Stelle nochmal vielen Dank für die Tips zum Aufbau und insbesondere dem Profil.
Zum Thema PWM hatte ich eventuell sogar geplant den Anlauf so zu realisieren, heißt 3 Phasen Sinus-PWM auf den Generator bei einer definierten Windgeschwindigkeit. Batteriemanagement erfolgt ähnlich, durch Hochsetz/Tiefsetzsteller.
Wie ich in dem verlinkten Beitrag gelesen habe reicht es offensichtlich auch den Generator über Last zu bremsen und anschließend kurz zu schließen.

Zum Thema zu viel Energie (bei geplanter Leistung von 100 W): Wenn ich bei dem Problem bin, dann ist das schon mal sehr gut. Aber mit 12 V ließe sich ja viel machen (Teichwasser pumpen, Beleuchtung, Akkus laden, Musikanlage, ...)

Die Bauform werde ich nochmal überdenken, das verlinkte Konzept bietet auch Vorteile jedoch erscheint es mir auch wieder schwieriger in der Fertigung.

Generator: Wenn ich das richtig sehe, handelt es sich bei den verlinkten um 250 bzw. 1000W. Das ist ja ein 'klein' wenig mehr als meine Zielsetzung und für mein erstes VAWT auf jeden Fall nix für mich. Ist ja eher als Studienobjekt/Testobjekt gedacht, um SW-Algorithmen zu implementieren. Jedoch muss ich auch sagen, dass der Preis zumindest für die 250 W Variante nicht wesentlich größer ist und ich von meinem bisherigen Generator noch nicht ganz überzeugt bin.

Reynoldszahl: Damit sollte ich mich vlt. mal beschäftigen, bisher noch wenig Kontakt gehabt.

FEM: Scheint wohl auch nötig zu sein. Werde mich mit ProE mal daran machen und wenn ich keine vernünftigen Ergebnisse erreiche, kannst du mir ja vlt mit ANSYS weiterhelfen .

Obwohl ich GFK und Epoxydharz erst vermeiden wollte und allenfalls als finale Schicht aufs Holz aufbringen wollte, werde ich es wohl doch in Angriff nehmen müssen.

Gut nochmals vielen Dank und wenn ich im April Zeit finde werde ich mal über Fortschritte berichten.

Sebastian

Hi Sebastian,

hatte schon eine wieder fundierte Antwort formuliert. (Etwas Anderes gibt es bei mir nicht).
Die ist aber ins Nichts abgewandert.
Grund ist: Hatte den Beitrag noch nicht abgesandt, aber reichlich Fenster im Browser offen und wollte etwas aufräumen.
Dabei das falsche Fenster geschlossen.

Damit ich das nicht noch einmal schreiben muss - ruf mich mal an. Nummer bekommst Du per PN.

Ganz kurz allerdings:

Viel zu aufwändig!
Gleichrichten, danach PWM mittels FET, Speicherdrossel und verlustarme Freilaufdiode (Schottky) muss folgen.
Andreas6 ist da schon ziemlich weit gekommen.

Selbst bei 1 m² werden 100W nicht reichen. Ohne Überprüfung - rechne mal mit etwa 250W!
Im Jahresdurchschnitt davon aber höchstens 20%.

Vorsorglich schon mal die Frage nach dem Jahresmittelwind am Standort. Anhaltspunkt über Forum/cf3/topic.php?t=3858&page=last#last_post
Nach Standort-Spezifika dann + oder -.

Wenn Du das hast, dann lohnt es sich, an zu rufen.

Grüße, W.