Dimensionierung – Eigenbau VAWT

Ich wollte von Anfang an einen vertikal laufendes Windrad bauen, da es nicht nach dem Wind ausgerichtet werden muss, in der Regel problemlos bei geringen Windstärken anläuft und auch starken Wind stand hält.

Für vertikal laufende Turbinen gibt es mehrere populäre Ansätze, wie  Darrieus-Rotor,  Savonius-Rotor und diverse Abwandlungen.
Da ich von der Ausstattung her als Privatmensch nicht über Werkzeuge und Möglichkeiten eines Produktionsbetriebes verfüge, sollte der Rotor vom Aufbau her möglichst einfach sein, dass ich von zu Hause aus auch in der Lage bin, dies umzusetzen.

Nach viel Recherche im Netz, bin ich auch eine Excel Liste zur Dimensionierung eines Lenz2 Rotors gestoßen.
Laut Erfinder des Flügelprofils, hat dieser einen recht hohen Wirkungsgrad, bei überschaubarer Komplexität.

Jetzt wo geklärt war, welche Art Rotor es werden soll, mussten die Abmessungen festgelegt werden. Wie aus dieser Studie zu entnehmen ist, liegt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in Sachsen in einer Höhe von 10 Meter über dem Erdboden bei ca. 5m/s. Mein Windrad ist in ca. 4 – 5 Metern Höhe über dem Erdboden angebracht und in einer Entfernung von ca. 10 Metern stehen ein paar Büsche, die das Windrad überragen.
Also sind die 5m/s mittlere Windgeschwindigkeit nicht zu erreichen. Ich bin mal von 3m/s ausgegangen, was als Standort für eine produktive Anlage sofort ausscheiden würde. Aber leider habe ich nun mal kein Strand – Grundstück mit 10 Meter hohem Mast zu Verfügung.

Das Windrad soll eine nennenswerte Leistung von mehr als 10 KW/h im Jahr in die Batterie einspeisen. Das ist wesentlich mehr, als ich in 2012 mit meinen kleinen Solarzellen einsammeln konnte.
Ich habe ein wenig mit der Excel Liste zur Dimensionierung von Lenz2 Rotoren herum gespielt und mich am Ende für 70cm Durchmesser und 70cm Höhe mit 3 Flügeln entschieden. Das entspricht fast einem halben Quadratmeter durchströmter Fläche.
Wenn ich die 2,65 Watt, die mit dem 70/70 Rotor bei 3m/s erzeugt werden können aufs Jahr hoch rechne, komme ich auf 23,2 KW/h. Das entspricht dem 3,5 fachen meiner Stromernte von 2012.

Errechnete Leistung (nach Lenz)
Wind Geschwindigkeit km/h Wind Geschwindigkeit m/s Drehzahl belastet U/min Drehzahl leerlauf U/min elektrische Leistung in W
4 1 22 44 0,10
7 2 44 87 0,79
11 3 65 131 2,65
14 4 87 175 6,29
18 5 109 218 12,28
22 6 131 262 21,22
25 7 153 306 33,70
29 8 175 349 50,30
32 9 196 393 71,62
36 10 218 437 98,25
40 11 240 480 130,77
43 12 262 524 169,78
47 13 284 567 215,86
50 14 306 611 269,60
54 15 327 655 331,59
58 16 349 698 402,43
61 17 371 742 482,70
65 18 393 786 573,00
68 19 415 829 673,90
72 20 437 873 786,00
76 21 458 917 909,90
79 22 480 960 1.046,17
83 23 502 1004 1.195,41
86 24 524 1048 1.358,21
90 25 546 1091 1.535,16
94 26 567 1135 1.726,85
97 27 589 1179 1.933,86
101 28 611 1222 2.156,79
104 29 633 1266 2.396,22
108 30 655 1310 2.652,76
112 31 677 1353 2.926,97
115 32 698 1397 3.219,46
119 33 720 1441 3.530,82
122 34 742 1484 3.861,63
126 35 764 1528 4.212,48
130 36 786 1572 4.583,96
133 37 808 1615 4.976,67
137 38 829 1659 5.391,19
140 39 851 1702 5.828,11
144 40 873 1746 6.288,01
Rotordurchmesser: 0,7 m
Rotorhöhe: 0,7 m
Blattanzahl: 3 Stk
Wirkungsgrad lt. Lenz: 41 %
Wirkungsgr. Generator: 80 %

Die 2,65 Watt sind aber sogleich auch das untere Ende der Skala, was die Stromerzeugung angeht. Der Generator sollte im Drehzahlband 60 – 500 U/min eine gute Leistung erzielen. Idealerweise sollte die abgebbare Leistung so ansteigen, wie in der Tabelle beschrieben.

Radius Vorflügel: 66 mm
Länge Gesamtflügel: 280 mm

Ein Blick auf den hinteren Teil der Tabelle, zeigt aber auch was jenseits der 15m/s für Kräfte wirken können.
Auf der einen Seite liefert das Windrad im Mittel wahrscheinlich nicht viel mehr als 20 KW/h im Jahr, aber die Konstruktion muss stabil genug sein mehrere 1000 Watt Windleistung auszuhalten.
Um so leichter die Konstruktion ist, desto besser.
Es lässt sich relativ leicht erkennen, dass ein solches Projekt einen gewissen Anspruch hat.

Ich habe mich entschieden für den Bau des Rotors Aluminium zu verwenden, da dies zum einen leicht und zum anderen nicht vor Korrosion geschützt werden muss.
Aluminium ist eloxiert erhältlich. Ich habe mich für Braun entschieden, da das aus meiner Sicht sehr wenig Sonnenlicht reflektiert.
Blankes Alu wirkt wie ein Spiegel und ich will nicht riskieren, dass sich bei Sonnenschein die Nachbarn aufregen.
Bis auf den Mast, vertraue ich Klebe- und Schraubverbindungen.
Die Flügelprofile sind mit UHU Endfest 300 (300 Kg/cm² Haftkraft) verklebt.
Die Verbindungen bis hin zur Nabe sind geschraubt, so das die Möglichkeit besteht den Rotor auszurichten, da bei höheren Umdrehungen eine relativ hohe Unwucht zu Problemen führen würde.
Den Aufbau im Detail werde ich in den folgenden Seiten (Siehe Page Navigation – oben rechts auf der Seite) erklären.

Und zum Schluss noch die Zeichnung des Profils mit das Projekt 2011 begann:

Zeichnung Fluegelprofil

3 Gedanken zu „Dimensionierung – Eigenbau VAWT

  1. Hallo Henry,
    tolles Projekt, hinter welchem viel Arbeit steckt. Aber da sind ein paar kleine Fehler in Deinen Berechnungen: Lenz2 hat keinen Wirkungsgrad von 41%, sondern von ca. 29% und der Wirkungsgrad Deines Generators mit 80% erscheint mir ebenfalls zu hoch an gesetzt.

    Auch Deine Fläche von 0,7m x 0,7m ist für einen wirtschaftlichen Ertrag ein wenig zu mager!

    Trotzdem gut gemacht!
    Gruß
    Sven

  2. Hallo Henry, wir hatten vor Jahren bereits einmal Kontakt. Du erinnerst Dich sicher an den HLM den ich gebaut hatte und im Netz vorgestellt habe (mit den wie Du meintest das die Holzteile die ich dazu anfertigte so aussahen wie von einer alten Dampfmaschine usw.)! Mir ging es aber damals eigentlich um deine Windkraftanlage auf der Garage und die Messung der Leistung und der geleisteten Arbeit. Ich habe ein Projekt gestartet um Wasser im Garten aus einem Brunnen zu gewinnen. Savonius, Cannsteinrotor und zum Schluss Lenz – Windgenerator waren meine Favoriten in dieser Reihenfolge. Bei einer am Standort ermittelten Windgeschwindigkeit von etwa 4 – 5 m/sek unter Berücksichtigung der Weibull – Verteilung und den standorttypischen Gegebenheiten (Rauhigkeit des Geländes) habe ich mit 4 m/sek gerechnet. Benötigen werde ich etwa 3 Watt elektrische Leistung. Ausserdem wollte ich jeden Windhauch zur Nutzung mitnehmen. Deshalb habe ich die Höhe des Wingenerators mit 0,8 m und die in Rotation befindliche Projektionsfläche (Erntefläche) mit einem Meter festgelegt. Ein Nabengenerator von 3 Watt bildet die Basis. Ein Spannungsverdoppler soll das laden eines 12 Volt Ackumulators sichern. Der Windgenerator besteht aus 1 mm Edelstahlblech. Vor zwei Tagen habe ich die ersten erfolgreichen Probeläufe absolvieren können. Ein 3 Watt Lämpchen aus drei Leuchtdioden hat ohne Spannungsverdoppler bei etwa 4 bis 5 m/sek aus 10 m Entfernung (bei Mondschein) uns so ausgeleuchtet, dass eine ganze Hauswand ausgeleuchte war und wir absolut nichts anderes mehr sahen als diese gleisende Lampe. Ich würde gern Deine Erfahrungen und Messungen mit nutzen um noch höhere Planungssicherheit bei der Auslegung einer Windkraftanlage zu erhalten.
    Gruss Hans-Jürgen Göllner

    • Aufgrund unseres Hausbaus ist die ganze Experimentiererei in den letzten 3 Jahren nahezu zum erliegen gekommen.
      Die Garage, wo das Windrad aufgebaut war, habe ich abgegeben. Das Windrad liegt sicher und trocken in meiner Werkstatt.
      Die Kinder haben einen Spielturm bekommen, welcher einen freistehenden 5 Meter hohen Mast hat, wo ich schon oft gefragt wurde, was das denn werden soll :-)
      Der Plan ist über das Winterhalbjahr ein ‚horizontales‘ Windrad mit ca. 70cm Flügeldurchmesser und 5 Flügeln aufzubauen und damit weiter Erfahrungen zu sammeln.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.