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: