Dimensioning – own construction VAWT vertical axis wind turbine

From the beginning I wanted to build a vertically running wind turbine since it does not have to be oriented towards the wind. A vertical turbine usually starts at low wind speeds and withstand strong winds.

For vertical turbines there are several popular approaches, such as the Darrieus rotor, the Savonius rotor and various modifications.
Since I do not have the tools and possibilities of a production company as a private person, the rotor should be as simple as possible from the structure, so that I am able to implement it from home.
After much research on the net, I found an Excel list for dimensioning a Lenz2 rotor.

According to the inventor of the wing profile, it has a quite high efficiency, with manageable construction complexity.

Now, where it was clarified, what kind of rotor it should become, the dimensions had to be determined.
As can be inferred from this study, the average wind speed in Saxony is 10 meters above the ground at approx. 5 m / s.
My windmill is about 4 – 5 meters above the ground and at a distance of about 10 meters there are a few bushes, which surmount the wind wheel.
So the 5 m / s average wind speed is not achievable.
My assumption is an average wind speed of 3m / s, which would be immediately the end for a location for a productive plant.
But unfortunately I don’t have a beach property with 10 meters high mast available.

The wind turbine is supposed to feed a significant output of more than 10 KW / h per year into the battery. This is much more than I could generate in 2012 with my small solar cells.
I’ve played a little with the Excel list for the dimensioning of Lenz2 rotors around and I decided at the end for 70cm diameter and 70cm height with 3 wings.
This corresponds to almost half a square meter area where air flows through.
If I assume the 2.65 watts, which can be generated with the 70/70 rotor at average 3m / s within a year, I come to 23.2 KWh per year. This is equivalent to 3.5 times my electricity generation from 2012.

Calculated output (according to Lenz)
Wind speed km/h Wind speed m/s Speed loaded rpm Speed idle rpm Electrical power 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
Rotor diameter: 0,7 m
Rotor height: 0,7 m
Number of blades: 3 pcs
Efficiency according to Lenz: 41 %
Efficiency generator: 80 %

The 2.65 watts are, however, also the lower end of the scale as far as power generation is concerned.
The generator should perform well in the speed range 60 – 500 rpm.
Typically, the power that can be delivered should increase as described in the table.

Radius of the slats: 66 mm
Length entire blade: 280 mm

A look at the back of the table, but also shows what can work beyond the 15m / s for forces.
On one site, the wind turbine does not provide much more than 20 KW / h per year, but the design must be stable enough to withstand several thousand watts of wind power.
The lighter the construction is, the better.
It is relatively easy to see that such a project has a certain claim.

I have decided to use aluminum for the construction of the rotor, since this on the one hand it is a lightweight material and on the other has not to be protected against corrosion.
Aluminum is available anodised. I chose brown colored metal sheets, because it dark colors are reflecting very little sunlight from my point of view.
Naked aluminum looks like a mirror and I do not want to risk that the neighbors will be disturbed by sunshine reflections.
Except for the mast, I trust glue and screw connections.
The wing profiles are glued with UHU Endfest 300 (300 Kg / cm² adhesive force).
The connections up to the hub are screwed so that there is the possibility to align the rotor, since at relatively high revolutions a unbalance would lead to problems.
The structure in detail I will explain in the following pages (see page navigation – top right of the page).

And finally the drawing of the profile started with the project 2011:

Zeichnung Fluegelprofil

3 thoughts on “Dimensioning – own construction VAWT vertical axis wind turbine

  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.

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