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Die
Idee
Motivation Ziel Umsetzung Technik Angebot
Hinweis
Kontakt
Die
Idee
... noch ein
Vertikalrotor für eine Windenergie-Kleinanlage
Die
Motivation
Zugegeben: Nachhaltige Energiegewinnung im kleinen Maßstab
lohnt sich unter rein wirtschaftlichen Gesichtspunkten derzeit
immer noch nicht. >
ein Rechenbeispiel für Windenergie
Entweder bieten Subventionen
einen finanziellen Anreiz für entsprechende Investitionen
oder es entstehen Projekte aus persönlicher Überzeugung
und Experimentierfreude.
Meine Motivation, über einen Vertikalrotor für eine
Windenergie-Kleinanlage nachzudenken, war - neben dem ökologischen
Aspekt - auch der Spaß an der technischen Herausforderung.
Das
Ziel
Eine Anlage ...
ohne Windrichtungsnachführung
selbstanlaufend
mit (hoffentlich) besserem
Wirkungsgrad als ein Savonius-Läufer
robust und sturmfest
ohne zusätzliche Brems- / Sicherheitseinrichtung, also mit
geringer Schnelllaufzahl für Sturmsicherheit
mit niedriger Bauhöhe
für ein geringes Biegemoment auf die Rotorachse und Unauffälligkeit
bei Dachmontage
Die
Umsetzung
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Die höchsten Wirkungsgrade
weisen Auftriebsläufer-Rotoren mit horizontaler Achse auf.
Deshalb wird diese Bauart heute fast ausschließlich und
vor allem großtechnisch realisiert - manchmal mit irritierender
Perspektive.
Die Rotoren benötigen eine Windrichtungsnachführung.
Das technische Konzept ist inzwischen weit ausgereift. |
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Das Ziel erfüllen
Savonius- und Darrieus-Rotoren
mit ihren vertikalen Achsen bieten die angestrebten Eigenschaften
teilweise. Sie weisen aber deutlich geringere Wirkungsgrade auf
als die gängigen Rotoren mit horizontaler Achse.
Daher stellen sich
die Fragen:
Lässt sich neben den Savonius- und Darrieus-Grundtypen auch
ein Rotor konstruieren, der einen zufriedenstellenden Wirkungsgrad
besitzt und zusätzlich eine geringe Bauhöhe aufweist?
Damit wäre die Anlage robuster und würde bei Dachmontage
in einem Wohngebiet nicht zu auffällig und unruhig wirken.
Und läuft der Rotor leise ohne störende Strömungsgeräusche?
Diese Aspekte sind
u.a. wichtig für eine behördliche Genehmigung und ein
weiterhin gutes nachbarschaftliches Verhältnis.
Der CIRCULAR Rotor
Die ästhetischen
Anforderungen können durch einen flachen, langsam laufenden
Vertikalrotor erfüllt werden.
Zusätzlich lässt sich möglicherweise der Wirkungsgrad
mit einem durchströmten Rotor durch das aerodynamische Zusammenspiel
mehrerer Rotorschaufeln verbessern.
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Der CIRCULAR Rotor ist
ein durchströmter selbstanlaufender Langsamläufer /
Widerstandsläufer mit vertikaler Rotationsachse. |
Der Rotor ist als Blechkonstruktion
ausgeführt.
Es sind keine aerodynamischen Profile verwendet. |
Die
Technik
Die Daten des Rotors - der Prototyp
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Maße |
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Durchmesser |
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1300 mm |
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Höhe |
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310 mm |
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Schnelllaufzahl |
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geschätzt |
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< 1 |
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Leistung |
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bei 12 m/s
(43 km/h / Windstärke 6) |
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ca. 40 - 80 W |
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bei 33 m/s (120
km/h / Windstärke 12 / Orkan) |
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ca. 0,7 - 1,5 kW |
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Die Schnelllaufzahl und Leistungsdaten sind geschätzt
und müssen in einem Test genauer ermittelt werden
>
siehe Angebot |
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... und etwas Theorie
Leistung
Mit einem Windenergiekonverter kann ein Teil der Leistung eines
Luftstroms genutzt werden (theoretisch max. ca. 60%, nach Betz).
Die Leistung eines
Luftstroms beträgt: P [W] = 1/2 d A v³
mit:
d = 1,25 kg/m³ Luftdichte bei ca. 10°C
A [m²] Querschnittsfläche der Strömung
v [m/s] Strömungsgeschwindigkeit
Die Leistung der Strömung
hängt in dritter Potenz von der Strömungsgeschwindigkeit
ab.
Das bedeutet mit zunehmender Windstärke eine sehr stark
zunehmende Leistung. Beispielsweise ist das bei Windstärke
8 (stürmischer Wind mit 19 m/s) die 20-fache Leistung gegenüber
der Leistung eines mäßigen Windes der Stärke
4 (angenehmer Wind mit 7 m/s, z.B. zum Segeln).
Die nutzbare (elektrische) Leistung wird im wesentlichen - neben
der Baugröße des Rotors und der Strömungsgeschwindigkeit
- durch die Leistungsausbeute / Kennlinie des Konverters sowie
durch Getriebe und Generator bestimmt.
Pel
[W] = cp 1/2 d A v³
mit:
cp Leistungsbeiwert der
Windenergieanlage
cp ist üblicherweise abhängig
von der Kennlinie des Konverters, Getriebe, Generator und auch
von der Strömungsgeschwindigkeit ; cp
<< 1
ganz grob:
Savonius-Rotoren liegen etwa zwischen cp
~ 0,05 und cp ~ 0,2
Dreiblatt-Rotoren mit Tragflächen-Profilen
liegen etwa zwischen cp ~ 0,2 und cp
~ 0,45
A [m²] senkrecht angeströmte Rotorfläche
Energieertrag
Der zu erwartende Energieertrag einer Windenergieanlage hängt
stark vom Ort der Aufstellung ab.
Maßgeblich sind im wesentlichen die lokale Windhöffigkeit
und die örtlichen Strömungsverhältnisse (z.B.
Höhe der Anlage über Grund, Windabschirmung).
Die Windhöffigkeit kann aus einer Windkarte entnommen werden.
Für Windenergie-Kleinanlagen
bietet sich beispielsweise die Windkarte des Deutschen Wetterdienstes
für das Jahresmittel der Windgeschwindigkeit in 10 m über
Grund an: https://www.dwd.de/DE/leistungen/windkarten/deutschland_und_bundeslaender.html
Die während des Jahres herrschenden Windverhältnisse
können in Form einer Dauerlinie abgebildet bzw. modelliert
werden.
Die mit der Dauerlinie korrelierende mittlere Windgeschwindigkeit
entspricht der Windhöffigkeit für den betrachteten
Ort.
Die Dauerlinie kann
zusätzlich an die örtlichen Verhältnisse (z.B.
tatsächliche Höhe der Anlage über Grund, örtliche
Windabschirmung etc.) angepasst werden.
Aus der angepassten
Dauerlinie der örtlichen Windgeschwindigkeiten kann die
Leistungs-Dauerlinie einer Windenergieanlage und daraus der jährliche
Energieertrag der Anlage abgeschätzt werden.
Ein Rechenbeispiel
: Das Ufer des Steinhuder Meers, ca. 30 km NW von
Hannover Windhöffigkeit ca. 4 m/s
abgeschätzt
für einen Rotor mit 0,4 m² Fläche und optimale
Anströmung in 10 m über Grund
... 75 kWh/a weniger als 25 EUR/a
lohnt sich nicht wirklich.
Bei nicht optimaler
Anströmung (Bebauung, Bäume in der Nähe) fällt
der Ertrag noch deutlich geringer aus.
Ein anderer
Ort : Die Rheinebene bei Karlsruhe
Windhöffigkeit ca. 2 m/s bis 2,5 m/s
abgeschätzt
für einen Rotor mit 0,4 m² Fläche und optimale
Anströmung in 10 m über Grund
... knapp 30 kWh/a nicht mal 10 EUR/a
vergessen wir's
wo bleibt da der Spaß ?
Der Wechselrichter
wird mehr Energie verbrauchen, als der Rotor abwirft.
Versuchen wir's
noch an der Nordeseeküste : viel Wind in Westerhever
auf Eiderstedt Windhöffigkeit ca. 7 m/s
abgeschätzt
für einen Rotor mit 0,4 m² Fläche und optimale
Anströmung in 10 m über Grund
... 250 kWh/a 75 EUR/a
Das geht gaaanz langsam in die richtige Richtung
Aber nur für
optimale Anströmung. Über dem Deich.
Ohne Bäume in der Nähe.
Und nur, wenn der Strom zu 100% selbst verbraucht wird, wann
er anfällt.
Damit sich's
lohnt, darf das Equipment nicht mehr als 500 EUR kosten
und der blanke Hans die Anlage nicht gleich wegfegen.
Das
Angebot
Wer hat Lust, meinen Rotor zu testen - einfach nur aus Interesse
an der Sache?
Denn meinen Prototyp habe ich bisher noch nicht betrieben, da
ich keinen geeigneten Ort für einen sinnvollen Aufbau, Test
und Betrieb zur Verfügung habe. Der Ort sollte dem Wind
möglichst ungehindert ausgesetzt sein und eine freie Anströmung
für den Rotor bieten.
Gerne stelle ich meinen Prototyp für Tests zur Verfügung.
Wer den Rotor testen
möchte, sollte über einen geeigneten Ort und über
Mess- und Betriebsausrüstung (z.B. Windmesser, Energiemesser,
Datenprotokollierung, Mast / Gerüst, Generator, Getriebe)
verfügen und auch Erfahrung mit Vertikalrotoren haben.
> Kontakt
 Wer den Rotor privat bauen
und nutzen möchte, kann dies gerne ohne Einschränkung
tun.
Ich freue mich über Rückinfos zu den Erfahrungen und
über weitere Anregungen.
Der Bauplan als PDF
Wer das Rotor-Konzept
kommerziell nutzen möchte, vereinbart vor dem Hintergrund
bestehender Urheberrechte bitte einen entsprechenden Rahmen mit
mir.
Hinweis
Im vorliegenden Beitrag wird ein Projekt mit experimentellem
Charakter beschrieben.
Keine Gewähr oder Haftung für technische Einzelheiten
und die Konstruktion.
Ebenso keine Gewähr oder Haftung im Rahmen eines Tests des
Rotors.
und
immer willkommen :
Kontakt
Immanuel Hahnenstein
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