auslegung einer vertikale windkraftanlage

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Auslegung einer vertikale Windkraftanlage Bachelorthesis Vorgelegt an der Fakultät Technik und Informatik der Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg zur Erlangung des akademischen Grades Bachelor of Engineering (B.Eng.) im Studiengang Maschinenbau / Entwicklung und Konstruktion von Meysam Soltnai August 2013

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Page 1: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Auslegung einer vertikale

Windkraftanlage

Bachelorthesis

Vorgelegt an der Fakultät Technik und Informatik

der

Hochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

zur Erlangung des akademischen Grades

Bachelor of Engineering (B.Eng.)

im Studiengang

Maschinenbau / Entwicklung und Konstruktion

von

Meysam Soltnai

August 2013

Page 2: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Kurzfassung

Folgende Ausarbeitung verschafft eine Überblick über aktuelle Stand der Tech-

nik von vertikale windkraftanlagen und deren Marktanteil. Die aerodynamische

und physikalische Grundlagen werden diskutiert. Die Umwandlung der Win-

denergie in elektrische Energie erfordert die optimale Nutzung der kinetische

Energie und die Kompensation der entstehende Lagerreaktionen und schädliche

Schwingungen. Die Idee ist ein Voith-Schneider-Propeller in einer Windkraftan-

lage umzubauen. In dieser Arbeit werden Lösungen vorgestellt und zum Schluss

die Überschlagsberechnungen diskutiert.

Abstract

This thesis provides an overview of the current state of the art vertical wind tur-

bines and their share in the market. The aerodynamic and physical principles are

discussed here. The conversion of wind energy into electrical energy requires the

optimal use of the kinetic energy and the compensation of the incurred storage

reactions and harmful vibrations. The idea is to rebuild a Voith-Schneider-Pro-

peller into a wind turbine. In this Document are solutions presented and finally

the construct calculations are discussed.

Erstprüfer: Prof. Dr.-Ing. Franz VinnemeierProfessor für Strömungsmaschinen, Gasturbinen,Thermodynamik, StrömungslehreHochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Zweitprüfer: Prof. Dr.-Ing. habil. Frank Helmut SchäferProfessor für Konstruktion und KunststofftechnikHochschule für Angewandte Wissenschaften Hamburg

Meysam SoltaniRichardstrasse 56a · 22081 [email protected]

Hamburg, 15. August 2013

– ii –

Page 3: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv

Tabellenverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v

Formelzeichen und Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . 2

2.1 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2.2 Aerodynamische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3 Mechanischer Triebstrang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

3.1 Rotornabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

3.2 Lagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4 Marktanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4.1 Fairwind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4.2 Oelmühle Möriken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

4.3 KESSLER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

4.4 AGILE WIND POWER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5 Vorstellung einer innovative Idee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

5.1 Voith-Schneider-Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

5.2 Kirsten-Boeing-Propeller (KBP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.3 Langsamläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.4 Der Aufbau des VSP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

6 Auslegung eines Prototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

7 Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

– iii –

Page 4: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Abbildungsverzeichnis

1 H-Darrieus-Rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

2 Die zwei unterschiedlichen Bauarten von H-Darrieus-Rotor . . . . . . . 3

3 Strömungslinien in einem Kortrollraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

4 Verlauf des Leistungsbeiwertes über dem Geschwindigkeitsverhältnis

vor und hinter dem Energiewandler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

5 Leistungsbeiwert eines VAWT eingetragen Über x . . . . . . . . . . . . . 9

6 Leistungsbeiwert eines Darius-Rotor gemessen in Abhängigkeit von

Schnelllaufzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

7 Die Entstehung von Randwirbel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

8 Die Auswirkung von Entplatten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

9 Die Entstehung von Wirbel um Gondel. Ergebnisse einer numerischen

Strömungssimulation (Enercon 2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

10 Auftriebskraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

11 Gondel und Triebstrang einer HAWT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

12 Die mögliche Anordnung von Triebstrang einer Windkraftanlage . . . . 17

13 Die Lager sind spezielle Entwicklungen der Schäffler Gruppe für

Blattverstellmechanismus in Windkraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . 20

14 Wellenlagerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

15 Pendelrollenlager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

16 Weltweit installierte Kapazität 2000-2011 von PV-, CSP- und WEA

nach Fraunhofer ISE, Global Wind Energy Council (GWEC) 2009 . . . 23

17 5 kW Anlage von Oelmühle Möriken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

18 Die jährliche Stromproduktion von 5 kW Anlagen . . . . . . . . . . . . 25

19 KESSLER SPINWIND . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

20 Agile-Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

21 Die Prototypen von Agile Power Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

22 Voith-Schneider-Propeller Antrieb eines Fährschiffes . . . . . . . . . . . 30

23 Die drei Bauarten der Flügelradpropeller . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

24 Schubrichtung eines Schraubenpropellers (a) und die Schubrichtung

eines Flügelradpropellers (b) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

– iv –

Page 5: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

25 Die Schwenkbewegung der Flügelblätter und resultierende

Geschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

26 Flügelwinkelkurve für schubfreien Betrieb mit unterschiedlichen

Fortschritsgraden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

27 Darstellung von zwei Flügeln, die durch Verschiebung des

Normalenschnittpunktes N auf den Punkt N’ Schub erzeugen. . . . . . 35

28 Der relative Anstellwinkel als Differenz von zwei Flügelwinkelkurven . 36

29 Die Summe der hydrodynamische Kräfte ist gleich der Gesamtschub T 37

30 Die zykloide Flügelbewegung über eine Periodendauer in schubfreien

Betriebszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

31 Die zykloide Flügelbewegung und die erzeugte Schub . . . . . . . . . . 38

32 KB-Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

33 Langsamläufer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

34 Längsschnitt eines VSP, TYP G II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

35 Profil GOE 676 doer NACA M12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

36 Voith-Schneider-Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

37 Die Kräfte-Diagramm des Voith-Schneider-Propellers . . . . . . . . . . 47

Tabellenverzeichnis

1 Fairwind-Anlagen im Vergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2 Die jährliche Stromproduktion einer 5 kW Anlage von Oelmühle Möriken 26

3 Die vertikalen Windkraftanlagen von Oelmühle Möriken im Vergleich . 26

4 Technische Daten von KESSLER SPINWIND . . . . . . . . . . . . . . . . 28

5 Koordinaten des Profils GOE 676 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

6 Aerodynamische Kräfte von Profil GOE 676 . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

7 Die Anstellwinkel von Flügelrad-Turbine über ganze Perioden . . . . . . 48

– v –

Page 6: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Formelzeichen und Abkürzungen

Symbole

A mm2 Fläche

AW mm2 Querschnittsfläche des Wandlers

B Anzahl der Flügelblätter

b mm Spannweite

CA Auftriebsbeiwert

CM Momentenzahl

CW Widerstandsbeiwert

e Steigung

Ek J Kinetische Energie

FA N Auftriebskraft

FR N Resultierende Kraft

FSchub N Schubkraft

FW N Widerstandskraft

m kg Masse

m kg/s Massenström

n min−1 Drehzahl

Pmech J/s Mechanische Leistung

P0 J/s Windleistung

PSchub J/s Schubleistung

∆P J/s Entzogene Windleistung

pst N/mm2 Statische Druck

R mm Radius der vertikalen Windkraftanlage

t mm Profiltiefe

uR m/s Umfangsgeschwindigkeit

v1 m/s Windgeschwindigkeit vor der Anlage

v2 m/s Windgeschwindigkeit hinter der Anlage

vW m/s Windgeschwindigkeit

v′ m/s Arithmetischer Mittelwert der Windgeschwindigkeit

α ◦ Anstellwinkel engl. Angle of Attack (AOA)

ε ◦ Flügelwinkel

– vi –

Page 7: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Formelzeichen und Abkürzungen

ηW Wirkungsgrad einer Windkraftanlage

Λ Streckung

λ Schnelllaufzahl

λF Fortschrittsgrad

π Kreiszahl

ρ kg/m3 Dichte

σ Völligkeit des Profils

ϕ ◦ Kreisumlaufwinkel

ψ Gleitzahl

ω s−1 Winkelgeschwindigkeit

Abkürzungen

CAD Computer Aided DesignVAWT Vertical Axis Wind TurbineHAWT Horizontal Axis Wind TurbineNACA National Advisory Committee for AeronauticsPV PhotovoltaikanlagenCSP solarthermische GroßkraftwerkeWEA WindenergieanlagenVSP Voith-Schneider-PropellerKBP Kirsten-Boeing-PropellerCFD Computational Fluid DynamicsAOA Angle of Attack

Namen und Bezeichnungen

WWEA World Wind Energy AssociationGWEC Global Wind Energy CouncilFISE Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme

– vii –

Page 8: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

1 Einleitung

Der Ausstieg aus fossiler Energie und der Rückbau der Kernkraftwerke gewinnt

Tag für Tag an Bedeutung. Die Aufgabe der Ingenieuren im Bereich der Energie-

technik ist die erneuerbaren Energiequellen soweit auszuschöpfen. Der zukünfti-

ge Energiebedarf der Menschen muss dadurch gesichert werden. Für die Länder

mit größten fossilen Energieträger-Vorkommen kommt zur Zeit aus wirtschaftli-

chen Gründen, der Einsatz von erneuerbaren Energien nicht in Frage. Aber die

Zukunft der europäischen Länder ohne große fossile Energie-Vorkommen und

damit die Abhängigkeit von Kernenergie ist abhängig von die heutige Forschung

im Bereich der erneuerbaren Energien. Bezüglich der geologischen Gegebenhei-

ten Europas und Stand der Technik sind alle erneuerbaren Energien wie z. B.

Wasserkraft, Windenergie, solar Strahlung, Erdwärme und nachwachsende Roh-

stoffe nicht gleich gestellt. Genau aus diesen Gründen sind weltweit installier-

te erneuerbare Energieerzeuger überwiegend Windkraftanlagen. Trotz all diesen

Entwicklungen hat die Wind-Energie-Erzeugung Potential für weitere Forschung

und Entwicklung.

Horizontal Axis Wind Turbine (HAWT) ist die meist gebaute Turbinenart. HAWT

hat seine Vor- und Nachteile. HAWT verdankt diese Entwicklungsvorsprung den

alten Luftfahrtforschungen für die Flugzeuge mit dem Propellerantrieb. Diese

Chance hatte Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) nicht gehabt. Aber in 90er Jah-

ren sind zahlreiche VAWT-Prototypen gebaut und geforscht worden. Die meisten

dieser Prototypen waren Darrieus-Rotoren. Der H-Darrieus-Rotor ist eine Erwei-

terung des ursprünglichen Darrieus-Rotor.

Die Idee ist ein Flügelradpropeller in einen H-Darrieus-Rotor umzubauen, um

somit Drehzahl und Schubkraft regeln zu können. Der Blattverstellungsmecha-

nismus eines Flügelradpropellers in einen H-Darrieus-Propeller um zu setzen

kann revolutionier sein und kann folgenden Fragen beantworten:

� Können die vertikalen Windkraftanlagen mit horizontale Windkraftanlagen

konkurieren?

� Kann die VAWT in größere Dimensionen wie z. B. Mega-Watt Anlagen gebaut

werden?

– 1 –

Page 9: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

Der H-Darrieus-Rotor ist ein auftriebsnutzendes

Abbildung 1: H-Darrieus-Rotor1

Windrad (Abbildung 1). Die Vorteile sind Wind-

richtungsunabhängigkeit, einfache Bauart und die

Möglichkeit mechanische sowie elektrische Kom-

ponenten (Getriebe, Generator und Bremse), am

Boden anzubringen.[1]

Die Windrichtungsunabhängigkeit beruht auf der

symmetrische Form der Rotorblätter. Daher wer-

den häufiger NACA-Profile2 wie z. B. NACA0015

gewählt. NACA0015 hat eine Profilwölbung sowie

eine Wölbungsrücklage von 0% und eine Profildi-

cke von 15%.

Es gibt unterschiedliche Bauweisen von H-Dar-

rieus-Rotoren, die in zwei Hauptgruppen unterteilt

werden können. Der Straight- und Helix-Rotor sind

die beide Bauarten, die ein symmetrisches kontinu-

ierliches Profil haben können. Durch Symmetrie

und kontinuierliche Form der Blätter wird die Her-

stellung günstiger und einfacher als herkömmliche

HAWT sein. Der Straight-H-Darrieus-Rotor hat ein Winkel von 0° gegenüber der

horizontalen Achse, dagegen kann der Helix-H-Darrieus-Rotor mit unterschied-

lichen Winkeln gegenüber der horizontalen Achse gebaut werden. In Abbildung

2 werden Beispiele, die I. Ushijiama im Jahre 2004 auf dem Hamburger Wind

Energy Fair Messe präsentierte, dargestellt.[2] Der Straight-H-Darrieus-Rotor

mit einem Anstellwinkel von 0° und einem symmetrischen Profil ist kein Selbst-

laufender und muss zunächst angetrieben werden. Im früheren Jahren hat man

als Starthilfe für Darrieus-Rotoren einen kleinen Sarvonius-Rotor mit der Anlage

1Quelle: http://www.fairwind.be/en/media2National Advisory Committee for Aeronautics (NACA)-Profil:http://de.wikipedia.org/wiki/NACA-Profile

– 2 –

Page 10: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

gekoppelt. Durch Optimierung der Winkel oder Auswahl eines gewölbten Profils

kann eine selbstlaufende Anlage konstruiert werden.

Abbildung 2: Die zwei unterschiedlichen Bauarten von H-Darrieus-Rotor

2.1 Physikalische Grundlagen

Leistung und LeistungsbeiwertEine Windkraftanlage konvertiert die kinetische Windenergie in mechanische

Arbeit. Die Berechnung des Leistungsbewertes cp, der auf Grundlagen der ele-

mentaren Physik wie Energieerhaltungssatz und Kontinuitätsgleichung basiert,

ist das Forschungsergebnis von Albert Betz, das er in den 20er Jahren veröffent-

lichte. Betz hatte bewiesen, dass die entziehbare kinetische Energie des Windes

maximal 60% beträgt. Für diese Berechnungen geht Betz von einer reibungs-

losen und laminaren Strömung, die einen verlustfreie Wind-Energiewandler

durchströmt. Trotz diesen Vereinfachungen sind die Werte für die praktische

Überschlagsberechnung gut geeignet und von größer Bedeutung, da diese von

der Bauart der Windkraftanlage unabhängig sind.

– 3 –

Page 11: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

KontinuietätsgleichungDie Masse in einem Kontrollraum in einem Stationären Fall bleibt konstant. Der

Luftmassenstrom vor der Windkraftanlage m1 ist gleich der Luftmassenstrom

m2 hinter der Windkraftanlage mit der Annahme, dass die Luftdichte ρ konstant

bleibt und die Geschwindigkeitv2 hinter der Windkraftanlage größer als Null ist.

Wenn die Geschwindigkeit v2 hinter der Windkraftanlage Null wird, dann findet

keine Strömung statt und damit sind die Gesetzmäßigkeiten der Hydrodynamik

ungültig.

Abbildung 3: Strömungslinien in einem Kortrollraum

m1 = m2 = m = const (2.1)

m1 = ρA1v1 (2.2)

m = ρA1v1 = ρA2v2 (2.3)

Aus der Gleichung 2.3 kann gesehen werden, wenn die Geschwindigkeit v2 klei-

ner ist als die Geschwindigkeitv1 , dann muss die Fläche A2größer werden als A1.

– 4 –

Page 12: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

A1v1 = A2v2 (2.4)

v2 < v1

A2 > A1

Die kinetische Energie vorhanden im Wind ist gleich:

Ek =12mv2 (2.5)

Die Windleistung ist gleich:

P =12mv2 (2.6)

Die Windleistung, die aus dem Wind entzogen werden kann oder die entspre-

chende Leistungsdifferenz vor und hinter der Windkraftanlage ist:

∆P =12m1v

21 −

12m2v

22 (2.7)

aus der Gl.(2.1)

m1 = m2⇒ m = ρA1v1 = ρA2v2

Setzt man Gl.(2.1) in Gl.(2.5)

∆P =12m(v2

1 − v22) (2.8)

Die Wind-Schubkraft wirkt auf dem herrschenden Wind in der Strömungsebene

des Wandlers und verschiebt er in seine Richtung. Mit Hilfe des Impulssatzes

kann die Kraft berechnet werden.

Fschub = m(v1 − v2) (2.9)

– 5 –

Page 13: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

Die Wind-Schubkraft verschiebt der Wind mit der Geschwindigkeit und die not-

wendige Leistung ist definiert durch:

Pschub = Fschubv′ = m(v1 − v2)v′ (2.10)

Die entzogene Leistung aus dem Wind kann wie in der Gleichung 2.7 aus den

Leistungsdifferenzen hergeleitet werden oder wie oben gezeigt aus dem Impuls-

satz. Durch Gleichsetzung dieser Gleichungen kann die Geschwindigkeit v′ be-

rechnet werden.

12m(v2

1 − v22) = m(v1 − v2)v′⇒ v′

12

(v1 + v2)(v1 − v2)(v1 − v2)

(2.11)

Die Geschwindigkeitist v′ gleich dem arithmetischen Mittelwert.

v′ =(v1 + v2)

2(2.12)

Damit ist die durchströmte Masse:

m = ρAwv = ρAwv1 + v2

2(2.13)

Die entzogene mechanische Leistung ist hiermit:

Pmech =14ρAw(v2

1 − v22)(v1 + v2) (2.14)

Die Leistung des Luftstromes, die ungehindert durch gleiche Fläche Aw strömt,

ist gleich:

P0 =12ρAwv

31 (2.15)

– 6 –

Page 14: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

Das Leistungsverhältnis oder der Leistungsbeiwert cp ist gleich:

cp =PmechP0

=12ρAw(v2

1 − v22)(v1 + v2)

ρAwv31

(2.16)

Nach einige Umformungen ist der Leistungsbeiwert cp eine Funktion des Ge-

schwindigkeitsverhältnisses v2v1

:

cp =PmechP0

=12

1 +v2

v1−(v2

v1

)2

−(v2

v1

)3 (2.17)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 10

0,2

0,4

0,6

(0,333;0,593)

Geschwindigkeitsverhältnis v2/v1

Lei

stu

ngsb

eiw

ertc P

Abbildung 4: Verlauf des Leistungsbeiwertes über dem Geschwindigkeitsverhältnis vorund hinter dem Energiewandler

Der maximaler idealer Leistungsbeiwert cp, der erreicht werden kann, ist gleich:

cmaxp =1627

= 0,592 (2.18)

wenn die Geschwindigkeit v1 vor dem Energiewandler drei mal schneller ist als

die Geschwindigkeit v2 hinter dem Energiewandler:

v1 = 3v2 (2.19)

– 7 –

Page 15: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

und so wird die Windgeschwindigkeit v′ in der Strömungsebene gleich (siehe Gl.

2.11):

v′ =23v1 (2.20)

Der maximale Leistungsbeiwert cmaxp ist ein idealer Wert, der in der Realität nie

erreicht werden kann. In dieser Berechnungen wurde der Energiewandler als rei-

bungslos angenommen. Aus strömungstechnischen Gründen ist die Ausbeutung

der kinetischen Energie, die durch eine bestimmte Querschnittsfläche durch-

strömt im idealen Fall nur noch bis maximum 60% der vorhandene Energie mög-

lich. Eine wichtige Erkenntnis der Betzschen Theorie besagt, dass die entzogene

mechanische Leistung mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit steigt.

Die mechanisch Leistung ist linear abhängig von der Fläche. Das bedeutet, die

Leistung steigt mit dem Durchmesser des Energiewandlers quadratisch an.

Bei dieser Berechnungen geht Betz von einem dünnen kreisförmigen Energie-

wandler aus, was bei der Berechnung der vertikale Windkraftanlage nicht der

Fall sein kann. Ein H-Darrieus-Rotor hat eine zylindrische Form, die von der Sei-

te eine projizierte Rechteckfläche darstellt. Das heißt je größer der Durchmesser

desto breiter die angenommene Scheibenbreite.

Es ist zu bedenken, dass die grundlegenden strömungstechnische Annahmen be-

züglich der vertikale Windkraftanlage sehr abweichend von der Realität sind.

Aufgrund diesen großzügigen Annahmen kann die erwartete Energieausbeutung

von 60% nicht erreicht werden.

Wenn davon ausgegangen wird, dass der Leistungsbeiwert cmaxp = 60% der maxi-

mal zu erreichende Leistungsbeiwert ist und somit eine ideale Anlage mit dem

Leistungsbeiwert ein Wirkungsgrad von 100% erreicht, so ist der Wirkungsgrad

einer Windkraftanlage ηW gleich:

ηW =cpcmaxp

(2.21)

Um den Leistungsbeiwert einer VAWT analog zu der HAWT zu schätzen, geht

Wilson et. el. 1974 von einem Auftriebsbeiwert

cA = 2πsin(α) (2.22)

– 8 –

Page 16: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

für eine an die Flügel gebundenen Zirkulation aus. Mittelt man über eine Periode,

so gelangt man in erster Näherung zu:[2]

cp(x) = πx(

12− 4x

3π+

3x2

32

)(2.23)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,40

0,2

0,4

0,6

(0,802;0,554)

Geschwindigkeitsverhältnis x

Lei

stu

ngsb

eiw

ertc P

Abbildung 5: Leistungsbeiwert eines VAWT eingetragen Über x

x = λ ·σ (2.24)

Die Leistungscharakteristik eines Rotors wird bestimmt durch den Leistungsbei-

wert und Schnelllaufzahl λ. Schnelllaufzahl λ ist das Verhältnis von Umfangsge-

schwindigkeit uR des Blattspitze zu Windgeschwindigkeit v1. Die Blattgeschwin-

digkeit von einem Vertikal-Rotor ist über die gesamte Länge konstant, was aber

bei dem Horizontal-Rotor nicht der Fall ist.

λ =uRv1

(2.25)

Die Völligkeit des Profils σ ist gleich der Anzahl der Blätter B mal der Blattpro-

filstiefe geteilt durch den Ratdius der Anlage R.

σ =B · tR

(2.26)

– 9 –

Page 17: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

Abbildung 6: Leistungsbeiwert eines Darius-Rotor gemessen in Abhängigkeit vonSchnelllaufzahl

Die VerlusteEin weitere Verlust, der bei Betz Berechnungen nicht betrachten wurde war die

Berücksichtigung des Strömungsdralles. Die Luft wird in der Realität durch die

rotierende Bewegung der Windturbine in die Rotationsbewegung gesetzt. Durch

die Weitergabe des Drehimpulses wird die Energieausbeutung vermindert. Das

heißt in dem Strömungsnachlauf hinter dem Rotor steckt noch unausgebeutete

Energie in Form von Drehimpuls. Es ist zu beachten, dass der Strömungsnachlauf

hinter einem Horizontal-Rotor anders ist als einem Vertikal-Rotor, was in den

zukünftigen Forschungen genau untersucht werden muss.

Tip-Verlust oder Blattspitzenverlust ist der induzierte Widerstand, der am frei-

en Ende eines Flügelblattes durch Druckabbau entsteht. Am freien Ende eines

Trageflügels ohne seitliche Begrenzung findet ein Druckausgleich zwischen Un-

terseite mit dem Überdruck und Oberseite mit dem Unterdruck statt. Nach

bekannten physikalischen Grundsätzen strömt die Luft von Überdruckseite zu

Unterdruckseite. Das heißt, dass die Luft von Unterseite nach Oben strömt. Die-

se Luftströmung verursacht kleine Wirbelströme am Ende des Trageflügels, die

Randwirbel heißen. Die Randwirbel erzeugen einen Abwind, demzufolge der

Auftrieb in der Mitte des Trageflügels steigt und an den Seitenenden zu Null

– 10 –

Page 18: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

wird. Das Auftriebsprofil nimmt eine ellipseförmige Gestalt an.

Abbildung 7: Die Entstehung von Randwirbel

Eine Möglichkeit um diese Verlust zu vermindern, ist der Einsatz von Endplatten.

Die Endplatten verhindern einen raschen Druckausgleich. Die Endplatten kom-

pensieren die Entstehung von Randwirbeln und somit wird die Auftriebsverlust

kleiner.[3]

Abbildung 8: Die Auswirkung von Entplatten

Die Streckung Λ ist das Verhältnis von Spannweite b zu Flügeltiefe t.

Λ =bt

(2.27)

– 11 –

Page 19: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

Ein Trageflügel mit hoher Streckung erzeugt weniger induzierten Widerstand als

einen Trageflügel mit der gleicher Fläche aber niedrigerer Streckung. Das heißt,

die Schlankheit einer Trageflügel ist umgekehrt proportional zu dem induzierten

Widerstand.

Weitere Verluste, die durch Wirbelentstehungen verursacht werden, müssen an-

hand von empirischen Ansätzen ermittelt werden. In den meisten Fachliteratu-

ren sind bekannten Ansätze nur für horizontale Windkraftanlagen anzuwenden.

Die horizontale Windkraftanlagen habe ein paar Jahrzehnte Entwicklungsvor-

sprung. Daher es ist unmöglich die genauen Energieverluste und -ausbeute einer

neuen vertikalen Windkraftanlage ohne empirische Ansätze und Windkanalver-

suche zu berechnen.

Abbildung 9: Die Entstehung von Wirbel um Gondel. Ergebnisse einer numerischenStrömungssimulation (Enercon 2006)

– 12 –

Page 20: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

2.2 Aerodynamische Grundlagen

Das aerodynamische Verhalten von H-Darrieus-Rotoren ist in einige Gesichts-

punkte unterschiedlich von Horizontalachsen-Rotor aber das Prinzip der Nut-

zung von Auftrieb bleibt das Selbe.

AuftribskräfteDie aerodynamische Auftriebskraft eines Flügels entsteht durch Druckdifferen-

zen. Der Satz von Bernoulli sagt, dass die Summe des statisches und dynamisches

Drucks konstant ist.

pst +12ρv2 = Konst. (2.28)

Aus der Kontinuietätsgleichung, die oben ausführlich beschrieben ist geht her-

vor, dass die Massenströme vor und hinter dem Flügel gleich sein müssen. Das

heißt, wenn durch die Wölbung oder dem Anstellwinkel eines Flügels der Strö-

mungsweg auf der Oberseite des Profils länger als auf der Unterseite des Profils

wird, dann muss die Strömungseschwindigkeit oberhalb des Profils steigen, bis

die beiden Strömungsteile gleichzeitig am Ende des Profils zusammenkommen.

Aus der oberen Gleichung kann man erkennen, dass die Zunahme der Geschwin-

digkeit der Senkung des statischen Drucks verursacht. So entsteht eine Druck-

differenz und damit eine Auftriebskraft.

Abbildung 10: Auftriebskraft

– 13 –

Page 21: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

2 Funktionsweise von vertikalen Windkraftanlagen

Wir betrachten ein Flügel mit symmetrischem Profil, der von vorne mit einer An-

strömgeschwindigkeit vs angeströmt wird, wenn der Anstellwinkel gleich Null

ist, dann entsteht nur eine Widerstandskraft FW und bei einem Anstellwinkel

größer Null entsteht noch zusätzlich eine Auftriebskraft FA . Die entstehende

Widerstandskraft ist kleiner als die Auftriebskraft. Es ist zu bemerken, dass die

unsymmetrischen Profile sogar bei Null Grad Anstellwinkel eine Auftriebskraft

haben.

FA = cA(α)ρ

2v2w(t.b) (2.29)

FW = cW (α)ρ

2v2w(t.b) (2.30)

cA und cW sind Antrieb- und Widerstandsbeiwert, die in Abhängigkeit des An-

stellwinkel αAW experimentell im Windkanal ermittelt werden.[4]

Die Kräfte steigen proportional zu der Flügelfläche A = t ·b und quadratisch mit

der Anströmgeschwindigkeit vs. Die Widerstandskraft FW steht orthogonal auf

der Auftriebskraft FA. Die resultierende Kraft ist gleich der vektorielle Addition

von den beiden Kräfte.

FR =√F2A +F2

W (2.31)

Die Gleitzahlψ ist eine weitere Größe, die häufiger verwendet wird. Die Gleitzahl

ist definiert als das Verhältnis von Antriebsbeiwert cA zu Widerstandsbeiwert cW .

ψ =cAcW

(2.32)

Die Gleitzahl ψ ist eine Maß für die Profilgüte in Abhängigkeit der Geometrie

und dem Anstellwinkel. Das heißt je größer die Gleitzahl ψ ist, desto kleiner ist

der Widerstandsbeiwert cW im Verhältnis zu dem Antriebsbeiwert cA.

– 14 –

Page 22: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

Die aerodynamischen Kräfte werden durch die aerodynamische Form der Flü-

gel erzeugt. Der mechanische Treibstrang hat die Aufgabe die aerodynamische

Kräfte in elektrische Energie umwandeln. Den erzeugten Drehmoment anhand

eines Generator in elektrische Energie um zu wandeln ist in der Technik üb-

lich. Dampfturbinen, Wasserturbinen, Diesel- oder Ottomotoren und viele ande-

re Maschinen wandeln im Prinzip kinetische, chemische oder thermodynamische

Energie in Wellenarbeit um. Die Wellenarbeit wird durch ein Triebstrang in elek-

trische Energie umgewandelt. Daher ist es von vorteil, dass die mechanischen

Komponenten eines Triebstranges aus konventionellen Teilen bestehen, die im

Maschinenbau zum Einsatz kommen.

Abbildung 11: Gondel und Triebstrang einer HAWT

Die konventionelle Technik für elektrische Energieerzeugung in Europa ist die

Erzeugung von Wechselstrom mit konstanter Frequenz von 50Herz. Die Kraft-

maschinen, die solche Generatoren antreiben, müssen gute Gleichlaufeigen-

schaften und passende Drehzahlniveau zu dem Generatoren haben. Die üblichn

Kraftwerksgeneratoren haben eine Drehzahl von 1500U/min. Dabei dürfen die

Drehzahl- und Momentenschwankungen nicht größer als etwa ein Prozent sein.

Diese Forderungen werden nicht von den Windkraftanlagen erfüllt. Um diese

Problematik zu umgehen, sind andere Komponenten notwendig, wie z.B Fre-

quenzumrichter und Getriebe. Ein direktes Antreiben von Generator durch eine

– 15 –

Page 23: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

Windkraftanlage ist technisch nicht sinnvoll. Bspw. braucht ein Generator, der

ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Herz erzeugen soll, 350 Polare,

wenn die antreibende Windkraftanlage eine Drehzahl von 20 U/min hat. Sol-

che Generatoren habe eine Durchmesser von etwa 10 bis 15m.[1] Daher ist der

Einsatz von dem Generatoren in dieser Dimension nicht relevant.

Die Hauptkomponenten eines Triebstranges, die sowohl in HAWT als auch in

VAWT vorkommen sind:

� Rotornabe

� Lagerung

� Rotorwelle

� Bremse

� Kupplung

� Getriebe

� Azimutantrieb

� Azimutlager

� Blattverstellmechanismus

� Generator

All diese Komponenten in einer Anordnung zu bringen ist die Kunst der Tech-

nik. Die Teile müssen ersetzbar, wartungsfreundlich, zugänglich und montage-

freundlich zusammengesetzt werden. Dafür gibt es zahlreiche Konzepte, die in

der Produktpalette einzelner Hersteller zu finden sind.

Die verschiedenen Anordnungen, die in der Abbildung 12 zu sehen sind, sind für

HAWT gedacht. Die Vertikal-Rotoren haben den Vorteil, dass man keine Krafts-

richtungsänderung vornehmen muss. Das heißt, alle Komponenten können hin-

tereinander in Reihe angeordnet werden. Oben in dem Maschinenhaus, im Turm

oder im Turmfuß bestehen die Möglichkeiten, die in der Konzipierung berück-

sichtigt werden können. Jeder der unten abgebildete Anordnungen haben ihre

Vor- und Nachteile, deswegen werden in der Technik nur wenige davon in Serie

gebaut.

– 16 –

Page 24: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

Abbildung 12: Die mögliche Anordnung von Triebstrang einer Windkraftanlage

– 17 –

Page 25: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

3.1 Rotornabe

Die Rotornabe ist eine der wichtigsten Komponenten einer Windkraftanlage. Die

Rotornabe ist die Verbindung zwischen Rotor und mechanischem Triebstrang.

Die eine Seite ist unmittelbar im Kontakt mit dem Wind und die andere Seite ist

zuständig für die Übertragung von Kräften und Momenten an die Antriebswelle.

Daher gibt es viele Anforderungen die eine Rotornabe erfüllen muss. Die aero-

dynamische Form einer Roternabe ist sehr wichtig. Die Bauform einer Nabe hat

direkten Einfluss auf die Leistung, von daher wirken sich entstehende Randwir-

bel aufgrund einer schlechten Bauform negativ auf die Auftriebsbeiwerte aus.

Die Rotornabe ist eine besondere Komponent für die Windkraftanlagen mit ei-

nem Blattverstellmechanismus. Bei so einer Rotornabe ist die starre Verbindung

nicht mehr relevant und somit wird die Rotornabe-Konstruktion aufwendiger.

Durch direkte Verbindung der Rotor mit der Nabe ist in einigen Stellen die Be-

lastung nahe zu punktförmig und die Nabe muss die Schwingungsbelastungen

standhalten. Daher muss die Materialauswahl bezüglich der Ermüdungsfestig-

keit und die lokale Spannungsspitze mit besondere Sorgfalt getroffen werden.

Die optimale konstruktive Gestaltung einer Rotornabe ist von besondere Bedeu-

tung und hat unmittelbare Auswirkung auf Erfolg einer Anlage. Die drei mögli-

che Fertigungsverfahren, die zur Verfügung stehen sind folgende:

� Stahlblechkonstruktion

� Stahlgusskörper

� Schmiedeteile

StahlblechkonstruktionSchweißstahlkonstruktion ist ein investitionsgünstiges Fertigungsverfahren. Für

Prototypen und kleine Serien werden Stahlblechkonstruktionen verwendet. Die

geschweißte Stahlkonstruktionen haben ihre Vor- und Nachteile. Es gibt zahl-

reiche Versuchsanlagen, die mit Stahlblechkonstruktionen gebaut wurden. Ein

wichtiger Nachteil ist, dass die geschweißte Teile aus Sicherheitsgründen mit

großer Sorgfalt und präzise kontrolliert werden müssen. Das bedeutet anderseits

hohe Kosten bei Serienfertigung.

– 18 –

Page 26: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

StahlgusskörperRotornaben aus Stahlguss sind in neueren Anlagen häufiger zu sehen. Die Fort-

schritte in Gusstechnik und Werkstoffkunde habe den Einsatz der Gussteile in

dynamisch hoch beanspruchten stellen ermöglicht. Gegossene Rotornaben sind

genau wie jedes andere Gussteil nur ab einer gewisse Serien-Anzahl wirtschaft-

lich.

SchmiedeteileDie geschmiedete Teile weisen beste Festigkeitswerte auf. Deshalb scheint das

Schmieden eine ideale Lösung für die Fertigung von Rotornaben zu sein. Was

allerdings wegen extrem hohe Kosten und begrenzten Spielraum bei Fertigung

von große Rotornaben mit Guss und Schweißkonstruktion bis jetzt nicht konku-

rieren könnte.

3.2 Lagerung

Mit der Erfindung des Rades wurde auch das erste Gleitlager erfunden. Seitdem

ist die Ingenieuren bekannt, je reibungsloser die Lagerung desto effizienter ist

der Energieverbrauch. Die Lagerung der rotierenden Teilen ist heutzutage in der

Technik unverzichtbar. Neue Entwicklungen in der Lagertechnik ermöglichen

eine längere Lebensdauer sowie einen geräuschärmeren und zuverlässigeren Be-

trieb von Windkraftanlagen. Die Beanspruchung des Lagers in der Windtechnik

ist sehr hoch. Spitzen Lasten, ungleichmäßiger Betrieb, schwankende Kräfte

sowie Schwingungen sind herausfordernde Belastungen, die die Lagersysteme

aufnehmen müssen.

RotorblattlagerungDie Rotorblätter werden in der Windkraftanlagen mit Blattverstellmechanis-

mus drehbar gelagert. Die Anzahl der Drehungen sind nicht maßgebend für die

Lebensdauerberechnung, sondern die schwankende Belastung und die Schwin-

gungen. Mit die Änderung des Blattwinkels kann die Leistung und die Drehzahl

– 19 –

Page 27: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

geregelt werden. Die sekundäre Aufgabe des Blattverstellmechanismus ist die

Notbremsung der Anlage. Durch die Aufstellung der Blätter wird ein Brems-

vorgang verursacht. Hierfür kommen ein- oder zweireihige Vierpunktlager mit

Käfig und je nach Blattverstellmechanismus mit innen, außen oder ohne Verzah-

nung zum Einsatz. Die Blattlagerung bei Anlagen mit Blattverstellmechanismus

gehört zu den Sicherheitskomponenten und der einwandfreie Betrieb des Blatt-

verstellmechanismus soll unter allen möglichen Betriebsumständen gewährleis-

tet sein.[5]

(a) Einreihige Vierpunktlager mitInnenverzahnung

(b) Zweireihige Vierpunktlager mitInnenverzahnung

Abbildung 13: Die Lager sind spezielle Entwicklungen der Schäffler Gruppe fürBlattverstellmechanismus in Windkraftanlagen

RotorwellelagerungDie Rotorwelle hat die Aufgabe, die durch Wind erzeugte Kräfte und Momente

aufzunehmen. Die Lager sind hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt. In der

Regel werden Pendelrollenlager eingesetzt, um die hohe Biegebelastungen und

Biegeverformungen der Welle auffangen zu können. Die Welle kann entweder

klassisch mit zwei Einzellager als Fest- und Loslager aufgefangen werden oder

mit der Integration des Festlagers im Einzelgehäuse. Folgend werden zwei mög-

liche Konzepte von Schäffler Gruppe vorgestellt.

– 20 –

Page 28: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

3 Mechanischer Triebstrang

Wellenlagerung mit gemeinsamen RohrgehäuseDie Fest- und Loslager sitzen in einem gemeinsamen Gehäuse. Als Festlager wer-

den zweireihige Kegelrollenlager und als Loslager Zylinderrollenlager eingesetzt.

Das Kegelrollenlager nimmt sowohl radiale wie gleichzeitig herrschende axiale

Belastungen auf. Kegelrollenlager zeichnen sich durch einen großen nutzbaren

Drehzahlbereich aus. Die Zylinderrollenlager mit Käfig sind für hohe Drehzah-

len geeignet, was durch den Käfig ermöglicht wird. Hohe Steifigkeit und radiale

Belastbarkeit sind andere Eigenschaften von den Zylinderrollenlager.

(a) Fest- und Loslager mitgemeinsamen Rohrgehäuse

(b) Wellenlagerung mitFAG-Stehlagergehäuse

Abbildung 14: Wellenlagerung

Wellenlagerung mit Einzelgehäuse

In der Regel werden für hohe Beanspruchungen

Abbildung 15: Pendelrollenlager

wie Wellenbiegung oder Fluchtungsfehler der

Lagersitze Pendelrollenlager eingesetzt. Von der

Schäffler Gruppe entwickelte Stehlagergehäuse,

speziell für Windkraftanlagen, sind gewichts-

optimiert und bieten einfache Nachschmierun-

gen. Das FAG-Pendelrollenlager wird als Fest-

lager in diesem Gehäuse untergebracht und das

Loslager wird im Getriebe integriert.

Die Pendelrollenlager sind winkeleinstellbare

Lagerbauart, die für die Wellen mit der Biegebelastung zum Einsatz kommen.

– 21 –

Page 29: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

Mit wachsender Bedeutung der ökonomischen und ökologischen Energieerzeu-

gung und aufgrund eines gestiegenen Umweltbewusstseins in den letzten Jahr-

zehnten ist die Windenergie eine der wichtigsten Formen der erneuerbaren Ener-

gien geworden. Obwohl die Windenergie zu den älteste Energieformen gehört,

ist die Technik noch nicht ausgereift und der Markt weit entfernt von einer Sät-

tigung. Nach Angaben von World Wind Energy Association (WWEA) gibt es

weltweit über 330 Herstellern von kleinen Windkraftanlagen, davon sind ca.

50 Hersteller in Deutschland aktiv. Die Meisten, diese Hersteller stellen HAWT

her. Auf der Husumerwindmesse 2012 waren die VAWT-Hersteller weniger als

eine Handvoll. In letzter Zeit gab es viele kleine Unternehmen, die versucht ha-

be ihre eigenen Anlage zu bauen und vermarkten. Es gibt viele Varianten und

außergewöhnliche Bauformen, aber keine von diesen Analen sind weder liefer-

bar noch bestellbar. Aufgrund dieser Tatsache stehen in alle Veröffentlichungen

über Kleinanlagen und deren Marktanalysen die HAWT im Mittelpunkt. Im

Kleinwind-Marktreport 2013/2014 Veröffentlicht am 15.07.2013 trifft der Autor

Herr Jüttemann eine klare Aussage und besagt: “Stand der Technik sind Wind-

kraftanlagen mit horizontaler Rotorachse. In Bezug auf Wirtschaftlichkeit und

Marktreife haben sie deutliche Vorteile gegenüber Vertikalläufern”. Deshalb wer-

den in diese Marktanalyse nur HAWT im Betracht gezogen.[6]

In Rahmen dieser Arbeit werden drei VAWT-Hersteller (Kessler, Fairwind und

Oelmähle Möriken) vorgestellt, die auf der Husumer Windmesse 2012 Pres-

sens waren sowie ein vierter Hersteller (Agile Wind Power), der sich in der

Versuchsphase befindet, aber aus konstruktiven Aspeketen eine interessante

Bauform verwendet, die für die kommenden Konzept-Vorstellungen bemerkens-

wert sein könnten. Um in dem kleinen Windenergieanlagen (WEA)-Markt mit

der HAWT konkurrieren zu können, müssen die Vertikalrotoren wirtschaftlicher

werden. Das heißt die Stromgestehungskosten (Herstellungskosten pro erzeugte

Strom im Jahr (€/kWh)) von VAWT müssen günstiger werden als bei HAWT.

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (FISE) hat im Mai 2012 eine Stu-

die über Stromgestehungskosten Erneuerbaren Energien veröffentlicht. Diese

Studie zeigt, dass die WEA (große On- und Offshore Anlagen) wirtschaftlicher

– 22 –

Page 30: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

und konkurrenzfähiger sind als alle andere erneuerbaren Energietechnologien

besonders Photovoltaikanlagen (PV) und solarthermische Großkraftwerke (CSP).

Die installierte Windenergie-Leistung von 240 GW im Vergleich zu installierte

Photovoltaik- und Solarthermische-Leistung von weniger als 75 GW verdeut-

licht die Konkurrenzfähigkeit der Windenergie mit den fossilen und nuklearen

Stromquellen. [7]

Anhand eines einfaches Beispiel von Kleinwindkraft-Portal3 wird verdeutlicht,

Abbildung 16: Weltweit installierte Kapazität 2000-2011 von PV-, CSP- und WEA nachFraunhofer ISE, Global Wind Energy Council (GWEC) 2009

dass die zukünftigen VAWT einen deutlichen höheren Wirkungsgrad, als mo-

mentan auf dem Markt existierende Anlagen, erfüllen müssen, um mit HAWT

konkurrieren zu können. Die Eigenschaften der beide Anlagen: Leistung 6 kW;

Preis/kW 5.000,00€; Gesamtpreis 30.000,00€; Betriebszeit 20 Jahre.

� Die Stromgestehungskosten für VAWT: 0,38€/kWh

� Die Stromgestehungskosten für HAWT: 0,16€/kWh

Das heißt die kleinen Vertikalrotoren sind ca. doppelt so teuer wie die kleinen

Horizontalrotoren.

3http://www.klein-windkraftanlagen.com/

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Page 31: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

4.1 Fairwind

FAIRWIND4ist ein belischer Windkraftanlage-Hersteller. Die Firma Fairwind

baut vertikale Windkraftanlagen mit eine Leistung von 5kW, 10 kW, 20kW und

40kW. Fairwind Ziele sind günstige, einfache und robuste Bauweisen. Die An-

lagen von Fairwind habe keinen Blattverstellmechanismus, um die Bauweise

einfacher zu halten. In Fairwind-Anlagen wurde auf ein Getriebe verzichtet und

die Regelung der schwingenden Frequenz geschieht mittels eines Frequenzum-

richters. Die Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie ist die

Aufgabe von einen Drehstrom-Synchrongenerator mit einem Permanent-Magnet.

Die Notbremsung ist elektrisch und die Anlagen habe eine Lebensdauer von 20

bis 25 Jahre. Die Blätter sind aus Aluminium (Abbildung 1).[8]

Tabelle 1: Fairwind-Anlagen im Vergleich

Anlage F16.05 F36.10 F36.20 F64.40

Bezeichnung Einheit

Allgemein

Nennleistung kW 5 10 22,5 40Nennwindgeschwindigkeit m/s 12 11,5 14 14Anlaufgeschwindigkeit m/s 2,5 2,5 3 3Abschaltgeschwindigkeit m/s 20 20 20 20max. Windgeschwindigkeit m/s 55 55 55 55

Rotor-Abmessung

Gewicht kg 1085 1420 1600 2450Durchmesser m 4 6 6 8Blattlänge m 4 6 6 8Fläche m 16 36 36 64Masthöhe m 12-18 12-18 12-18 12-24

Maximale Drehzahl beiNennwindgeschwindigkeit

min−1 180 100 115 105

4Fairwind: http://www.fairwind.be/en/

– 24 –

Page 32: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

4.2 Oelmühle Möriken

Oelmühle Möriken5 ist eine VAWT Her-

Abbildung 17: 5 kW Anlage von OelmühleMöriken

steller mit über 700 weltweit installier-

te Anlagen. Oelmühle Möriken hat im

Bereich Windkraftanlagen zwei Pro-

duktpaletten. Kleine Anlagen mit ei-

ner Leistung von 10 W, 200 W, 300 W

und 500 W für Inselbetrieb. Größere

Anlagen mit einer Leistung von 1 kW,

3 kW, 5 kW und 10 kW für Insel- und

Netzberieb. Oelmühle Möriken bietet

eine Lebensdauer von mehr als 25 Jah-

re. Die Blätter dieser Anlagen sind aus

glasfaserverstärktem Kunststoff mit

Honeycomb-Struktur (Wabenkern).

Die Anlagen laufen mit einem haus-

eigenem Permanentmagnet-Generator. Durch das Gewicht-Leistungsverhältnis

von ca. 200 kg/kW wird ein vibrations- und verschleißarmer Betrieb ermöglicht.

Die jährliche Stromproduktion sind Richtwerte bezüglich der durchschnittlichen

Windgeschwindigkeit vW . Die Stromproduktion einer Windkraftanlage hängt

von der Turbinenhöhe und der regionalen Windverteilung ab.[9]

Abbildung 18: Die jährliche Stromproduktion von 5 kW Anlagen

5Oelmühle Möriken: http://www.oelmuehle-moeriken.ch/

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Page 33: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

Tabelle 2: Die jährliche Stromproduktion einer 5 kW Anlage von Oelmühle Möriken

vW 2 3 4 5 6 7 8 9 10

kWh von 250 750 1800 3900 6500 10500 15750 22600 31500bis 1000 3390 6800 8815 11055 12590 18400 26370 36800

Es sind Richtwerte bezüglich der durchschnittliche Windgeschwindigkeit vW

Tabelle 3: Die vertikalen Windkraftanlagen von Oelmühle Möriken im Vergleich

V-Wind Turbine Einheit 1 kW 3 kW 5 kW 10 kW

Preis Euro 5.021,00 9.922,00 16.159,00 27.620,00

Leistungsdaten

Nennleistung kW 1 3 5 10Nennlast-Windgeschwindigkeit

m/s 12 12 12 12

Anlauf m/s 4 4 4 4Abschaltung m/s 25 25 25 25Sturmfest bis mindestens m/s 50 50 50 55

Abmessungen

Windturbinen Durchmesser m 1,8 3 4 6Höhe der Turbine m 2 3,6 4,6 6,2Gewicht der Turbine kg 200 650 975 2375Masthöhe m 5,5 5,5 5,5 5,5Mastgewicht kg 235 450 650 1000

Generator Daten

Typ PMG 3 phasigNennstpannung AC 250 VNennstrom AC 2Schutzklasse IP 54

Wind-Controller Spannung

Ausgangsspannung (netzgekoppelt) DC 80–400 VAusgangsspannung (Inselbetrieb) DC 48 V

Überdrehzahlschutz und Bremssystem

Drehzahlbegrenzung Aerodynamische BlattverstellungBremssystem Automatische mechanische Bremse

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Page 34: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

4.3 KESSLER

Kessler Energy GmbH6 ist der Hersteller von KESSLER Spinwind. KESSLER Spin-

wind ist eine vertikale Windkraftanlage mit direktem Antrieb des Generators.

Kessler konzentriert sich auf kleine Windkraftanlagen und liegt Wert auf schnel-

le, unkomplizierte und robuste Montage. Kessler ist der Hersteller von elektri-

schen Antrieben. In Spinwindanlagen werden Kessler Generatoren eingesetzt.

Der Einsatz von Getriebe ist nicht notwendig, da die Spinwindanalgen direkt

angetrieben werden. So spart der Hersteller Gewicht und Kosten. Mit einer ma-

ximalen Achshöhe unter zehn Meter ist der Aufwand einer Baugenehmigung viel

geringer. Unter anderem verspricht der Hersteller minimierte Geräusch und lei-

sesten Betrieb.

Kessler Energy wirbt mit neun Schritten zur Kessler Spinwind.

1. Prüfen Sie die Genehmigungsfreiheit auf demBauamt (Landratsamt).

2. Melden Sie die Anlage bei Ihrem Stromanbieteran.

3. Ein Schacht von 3,80 m x 3,80 m x 1,5 m für dasFundament muss ausgehoben werden.

4. Für die Stromzuleitung muss ein Graben gezogenwerden.

5. Das Fundament muss über das Erdband und denAnkerkorb geerdet werden.

6. Anschließend wird das Fundament gegossen (Be-tonstahl BST 500S, BST 500M, FestigkeitsklasseC20/25).

7. Die Anlage wird durch KESSLER geliefert.8. Aufstellen der Anlage mit Hilfe eines Autokrans

(o. Ä.), durch etwa drei Personen à drei Stunden.9. Inbetriebnahme und Testlauf.

Abbildung 19: KESSLER SPINWIND

6KESSLER ENERGY GmbH: http://energy.franz-kessler.de/kessler-energy/

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Page 35: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

Tabelle 4: Technische Daten von KESSLER SPINWIND

Anlage

Gesamthöhe 14,15 mAchshöhe 9,9 mAufstellfläche 25m2

Schallemission <35 dB(A)

Gewicht

Generato 0,5 tMast 1,5 tGestänge mit Flügel 0,54 tGesamtanlage 2,54 t

Leistungscharakteristik

Anlaufgeschwindigkeit 3,5 m/sAbschaltgeschwindigkeit 16 m/s

Rotor

Durchmesser 4,7 mNenndrehzahl 125 U/minBauart der Blätter AluminiumRotorfläche 39,9m2

Generator

Antrieb direktDrehmoment 764 NmNennleistung 10 kWDrehzahl max. 125 U/minNennstrom 15ASchutzart IP 23

4.4 AGILE WIND POWER

Agile-Turbine ist ein langsam laufender ver-

Abbildung 20: Agile-Turbine

tikal-Rotor mit einer schlichter Konstruktion.

Agile-Turbine wurde für Grossanlagenbetrieb

konzipiert. Die Unterschiede sind die beide

seitige Lagerung von Blätter und die Anzahl

der Blättern oder anderes ausgedrückt größe-

re Völligkeit gegenüber anderen vorgestellten

Anlagen. (siehe Abbildung 21)

Agile Wind Power7 ist eine Schweizer Firma,

die im Jahre 2010 gegründet ist. Zurzeit sind

keine neueren Ergebnisse von der Firma Agile

Wind Power veröffentlicht worden.

Das Projekt Agile Wind Power gliedert sich in

drei Phasen und befindet sich derzeit in der

Phase I.

7http://www.agilewindpower.com/de

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Page 36: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

4 Marktanalyse

� Phase I Prototypenbau A4-H und Konzeptverifizierung bis Ende 3.Q/2012

� Phase II Serienreifeentwicklung A12 und Industrialisierung bis Ende 2014

� Phase III Markteintritt Nullserie A12 und Weiterentwicklung (A24, A30) ab

2015

(a) in Chur in Betrieb genommenePrototyp-Anlage

(b) Zuletzt Vorgestellte Prototyp vonAgile Turbine

Abbildung 21: Die Prototypen von Agile Power Wind

Geplante Produkttypen für ein mögliche Markteintritt

Produkttyp Durchmesser der Turbine Erwartete Nennleistung

A12 12.5 m 0.5 MW

A24 24 m 1.7 MW

A30 30 m 2.7 MW

A48 48 m 6.8 MW

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Page 37: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

Innovativ zu sein ist nicht anderes als die Dinge anders zu nutzen. Einfachste Art

der elektrische Energieerzeugung ist die Umwandlung von kinetische Energie in

Rotationsbewegung und damit das Antrieben des Generators. Jede angetriebene

Turbine, die Schub erzeugen kann, kann auch durchgeströmt werden und me-

chanische Arbeit anrichten. Im Prinzip kann eine Schiffsschraube angetrieben

werden als Arbeitsmaschine und Schub erzeugen oder in der Strömung eines

Flusses angebracht werden und ein Generator antreiben (Kraftmaschine). Die

Ursprung-Idee war bei herkömmliche VAWT die Auftriebskraft besser, effektiver

und effizienter zu nutzen. Vertikal-Anlagen mit einem festen Blatteinstellwinkel

können die Auftriebskraft nicht effektiv nutzen, da die Summe alle Kräfte klein

ist. Aus diesem Grund können die Vertikalrotoren mit einem symmetrischen

Profil nicht selbst anlaufen.

Die Lösung ist den Blatteinstellwinkel in jeder Drehung zu ändern und die

Blätter immer in optimale Windrichtung mit größtmöglicher Auftriebskraft-

Komponente zu halten. So kann die Summe aller Auftriebskräfte einen größeren

Schub erzeugen. Genau nach diesem Prinzip hatte Ernst Schneider seine Pro-

peller im Jahre 1926 entwickelt.[10] Im Abbildung 22 ist ein Voith-Schneider-

Propeller (VSP) zu sehen. VSP besteht aus einem Radkörper und mehrere Flügel-

blätter, die parallel zu der Drehachse stehen.

Abbildung 22: Voith-Schneider-Propeller Antrieb eines Fährschiffes8

– 30 –

Page 38: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

Die Idee ist ein Flügelradpropller als vertikale Windturbine zu nutzen. Anstatt

des Antreibens des Flügelradpropellers durch einen Schiffsmotor und Schuber-

zeugung wird die kinetische Energie des Windes den Flügelradpropeller und

damit der Generator angetrieben um elektrische Energie zu erzeugen. Durch un-

terschiedliche Blatteinstellwinkel wird gleichzeitig die Drehzahl und damit die

Umfangsgeschwindigkeit beeinflusst. So ergeben sich drei Arten von Flügelrad-

propellern oder Zykloidalpropellern mit unterschiedlichem Fortschrittgraden.

Fortschrittgrad λF das Verhältnis von Antrömgeschwindigkeit zum Propeller vezur Umfangsgeschwindigkeit u. Das ist der Kehrwert von der Schnelllaufzahl λ

(Gl. 2.25) bei den Windkraftanlagen.

λF =veu

(5.1)

Abbildung 23: Die drei Bauarten der Flügelradpropeller

Ein Schraubenpropeller erzeugt einen Schub parallel zu der Drehachse (Abbil-

dung 24a) und die Lenkung findet anhand eines Ruders statt. Die Flügelradpro-

peller sind in der Lage einen Schub in alle Richtungen der Flügelradebene zu

erzeugen und somit kann sich das Schiff in jeder beliebige Richtung bewegen

(Abbildung 24a).

Um ein Flügelradpropeller in eine Windturbine umzuwandeln ist die Beschrei-

bung der genaue Funktionsweise und das Analysieren der entstehende hydrody-

namische Kräfte unausweichlich. Folgend werden alle drei Betriebsarten des Flü-

8Quelle: http://www.faehre.de/faehrschiffe/ms-uthlande/bauphasen.html

– 31 –

Page 39: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

gelradpropellers (Schnellläufer (VSP), Kerstin-Boeing-Propeller und Langsam-

läufer) behandelt.

Abbildung 24: Schubrichtung eines Schraubenpropellers (a) und die Schubrichtungeines Flügelradpropellers (b)

5.1 Voith-Schneider-Propeller

Für die Schuberzeugung müssen die Flügelblätter eines Voith-Schneider-Propel-

lers ihren Anstellwinkel ständig in jedem Umlauf ändern. Die Abbildung 25a ist

die Draufsich eines VSP. Der VSP dreht sich gegen den Uhrzeigersinn und be-

wegt sich wie auf der Abbildung 25a dargestellt von links nach recht. Die Flügel-

blätter zeigen auf dem Halbkreis des Flügelkreisdurchmessers D mit der Spitze

von innen nach außen in die Fahrtrichtung. Die Flügelblätter zeigen durch eine

Schwenkbewegung auf die zweite Hälfte des Kreises von außen nach innen. Die

Schwenkbewegung muss nach einer bestimmten Regel funktionieren und Stu-

fenlos sein um die Drehzahl und die Drehrichtung konstant zu halten, damit die

Schubstärke des Propellers kontrollierbar ist.

Die günstigste Winkelstellung ist die schubfreie Stellung. In diesem Zustand er-

zeugen die Flügelblätter wegen ihre Winkelstellung keine Auftriebskraft, son-

dern nur eine minimale Widerstandskraft. In der Abbildung 25b wird ein Flü-

gel in acht Positionen dargestellt. Die Umfangsgeschwindigkeit u und die An-

strömgsgeschwindigkeit ve werden entgegengesetzt der Propeller-Drehrichtung

– 32 –

Page 40: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

gezeichnet um die Relativgeschwindigkeit des Wassers zu den Flügel betrachten.

Die Umfangsgeschwindigkeit u ist gleich der Winkelgeschwindigkeit ω mal der

Kreisradius r.

ω = 2·π ·n (5.2)

uR =ω ·R (5.3)

Die resultierende Geschwindigkeit w ist die vektorielle Summe der beide Ge-

schwindigkeitskomponente. In schubfreier Winkelstellung liegt die resultieren-

de Geschwindigkeit w kollinear auf der Profilsehne (siehe Abbildung 10). Die

Normalen, die senkrecht auf der Geschwindigkeitw sowie der Profilsehne stehen

gehen alle durch den Punkt N. Der Punkt N heißt Normalenschnittpunkt. Aus

(a) Blattverstellung eines VSP in einemUmlauf

(b) Geschwindigkeitsdreiecke am VSP-Flügel bei acht Positionen

Abbildung 25: Die Schwenkbewegung der Flügelblätter und resultierendeGeschwindigkeit

der geometrische Betrachtung kann man feststellen, dass die Geschwindigkeits-

dreiecke gleich groß sind wie das entstehende Dreiecke aus der Strecke Propel-

lerdrehpunkt O, Normalenschnittpunkt N und der Drehpunkt der Flügelachse

Pn. Diese Gesetzmässigkeit wurde von Ernst Schneider Normalenschnittgesetzgenannt. Der Flügelwinkel ε ist der entstehende Winkel zwischen der Profilsehe

(oder w) und der tangentiale Umfangsgeschwindigkeit u. Die Flügelwinkel-Än-

derung kann für unterschiedliche Fortschrittsgraden λF = ve/u über den Dreh-

winkel des Radkörpers aufgetragen werden.(Abbildung 26)

– 33 –

Page 41: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

Abbildung 26: Flügelwinkelkurve für schubfreien Betrieb mit unterschiedlichenFortschritsgraden

Nach Normalenschnittgesetz für den schubfreien Betriebszustand ist der Flügel-

winkel gleich:

sin(ε) = sin(ϕ)

√√1

1 + 1λ2F

+ 2 ·cos(ϕ)λF

(5.4)

Anhand der Gleichung 5.4 kann die Richtung der Anströmung w bei einem an-

gegebene Fortschrittsgrad λF nach dem Normalenschnittgesetz bei schubfreiem

Betriebszustand berechnet werden. Das heißt die Umfangsgeschwindigkeit u so-

wie die Anströmgeschwindigkeit ve sind bekannt. In dem schubfreiem Betriebs-

zustand wirkt nur der Strömungswiderstand W und keine Auftriebskraft. Der

Maximalwert in dem erstem Halbkreis liegt bei ϕ = 90◦ + εmax und in der zweite

Hälfte bei ϕ = −270◦ + εmax . Für die Schuberzeugung müssen die Flügel einen

größeren Winkelausschlag ausführen. So entsteht eine Auftriebskraft A und ei-

ne regulierende Strömungskraft R, die die Summe der beide Widerstands- und

Auftriebskraft ist. Der Schub und der nötige Winkelausschlag entsteht durch die

Verschiebung des Normalenschnittpunkt N nach oben und so ergibt sich einen

neuen Normalenschnittpunkt N ′. Normalenschnittpunkt N ist der Schnittpunkt

der Geschwindigkeiten und der Normalenschnittpunkt N ′ ist der Schnittpunkt

– 34 –

Page 42: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

der Flügelbewegungen. Die beide Punkten müssen streng von einander getrennt

werden. Aus der geometrischen Betrachtung können Rückschlüsse gezogen wer-

den, dass das Verhältnis von der Strecke ON zu der Hälfte des Durchmessers

D/2 immer exakt gleich dem Fortschrittsgrad λF9 in schubfreie Zustand ist. Das

Verhältnis wird auch als die Steigung e des Voith-Schneider-Propellers genant.

e =OND/2

(5.5)

Die Steigung e müsste nach dem Normalenschnittgesetz von Ernst Schneider im-

mer kleiner gleich 0,8 sein.

e ≤ 0,8 (5.6)

Abbildung 27: Darstellung von zwei Flügeln, die durch Verschiebung desNormalenschnittpunktes N auf den Punkt N’ Schub erzeugen.

Durch die Verschiebung des Steuerpunktes N nach N ′ entsteht ein Winkel α

zwischen der Profilsehne und der resultierende Geschwindigkeit w. Aus diesem

9Fortschrittsgrad λF darf nicht mit Schnelllaufzahl λ verwechselt werden

– 35 –

Page 43: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

Grund wird eine Auftriebskraft und eine Widerstandskraft erzeugt. (Siehe Kapi-

tel 2.2) Die Auftriebskraft steht senkrecht auf der resultierende Geschwindigkeit

w und kollinear auf der Normale N . Die Widerstandskraft W steht immer or-

thogonal zu der Auftriebskraft. Für die Berechnung des Winkels α setzt man in

Gleichung 5.4 anstatt λF = ve/u die neue Steigung e =ON ′/(D/2) und nennt man

diese Gleichung λo.

sin(ε) = sin(ϕ)

√√1

1 + 1λ2

0+ 2 ·cos(ϕ)

λ0

(5.7)

Durch die Winkeländerung wird λo größer als λF . Wenn die Drehzahl n konstant

bleibt, dann steigt die Geschwindigkeit ve auf Grund des entstehenden Schubs.

Der relative Anstellwinkel α ist die Differenz zwischen der Flügelwinkelkurve

(a) mit λ0 = 0,8 und der Flügelwinkelkurve (b) mit λF = 0,65 in dem schubfreien

Betriebszustand.

Abbildung 28: Der relative Anstellwinkel als Differenz von zwei Flügelwinkelkurven

Jetzt kann anhand dem bekannten Anstellwinkel α die aerodynamische Kräfte

berechnet werden. (Siehe die Gleichungen 2.29 . . . 2.31)

– 36 –

Page 44: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

Abbildung 29: Die Summe der hydrodynamische Kräfte ist gleich der Gesamtschub T

Durch die Addition der Kräfte heben sich die Querkräfte der Flügel gegenseitig

auf. Es besteht eine leichte pulsierende Kraft sowohl in Längs- als auch in Quer-

richtung, die bei größerer Flügelzahlen geringer wird. Die Abbildungen 30 und

31 stellen die zykloide Bewegung eines Flügels über eine ganze Periode und die

entstehende Schubkraft dar.

Um die Berechnungen, die oben dargestellt sind einfach und verständlich zu hal-

ten und damit die Funktionsweise des Voith-Schneider-Propellers besser zu er-

kennen ist, hat man viele störende Effekte und Kräfte vernachlässigt. Die Kräfte-

Herleitung aus der geometrischen Bedingungen ist nicht die optimale Einstel-

lung eines Voith-Schneider-Propellers. Die genauen Kräfte und Wirbelentste-

hung im Realfall können nur anhand der empirische Untersuchungen und Versu-

che mit Hilfe von Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen bestimmt

werden.

Diese Art von Flügelrad nennt man Schnellläufer, aber es sind auch andere Bau-

arten mit einem Normalenschnittpunkt N’ verschieden von VSP möglich.[10]

– 37 –

Page 45: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

Abbildung 30: Die zykloide Flügelbewegung über eine Periodendauer in schubfreienBetriebszustand

Abbildung 31: Die zykloide Flügelbewegung und die erzeugte Schub

5.2 Kirsten-Boeing-Propeller (KBP)

Der Normalenschnittpunkt N’ des Kirsten-

Abbildung 32: KB-Propeller

Boeing-Propellers liegt auf dem Flügelkreis

und kann nicht variiert werden. Die Flügel-

blätter drehen sich gleichmäßig mit halber

Drehzahl in entgegengesetzter Richtung des

Flügelkreises. Die Schuberzeugung ist nur

durch die Drehzahl regelbar. Die Schwenkbe-

wegung ist anderes als bei dem Voith-Schnei-

der-Propeller.

– 38 –

Page 46: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

5 Vorstellung einer innovative Idee

5.3 Langsamläufer

Der Langsamläufer hat den Normalen-

Abbildung 33: Langsamläufer

schnittpunkt N’ außerhalb des Kreises.

Die Flügelblätter habe vorwiegend die

Spitze in Fahrtrichtung während der gan-

ze Drehbewegung. Der Anstellwinkel ist

veränderlich und damit auch der Schub

variierbar.

5.4 Der Aufbau des VSP

Es sind drei Huptfunktionsgruppen in verschiedenen Farben dargestellt.

� Schuberzeugung: Flügel mit Lagerung, Flügelantrieb, Steuerung (gelb)

� Rotation: Radkörper, Getriebe und alle rotierenden Teile (rot)

� Gehäuse: Alle feststehenden Teile, Lagerung (blau)

1. Radkörper2. Flügel3. Kinematik4. Steuerknüppel5. hydraulischer

Stellzylinder6. Kegelradgetriebe7. Stirnrad-unter-

setzungs-getriebe8. Antriebstrommel9. Propellergehäuse

10. Axialgleitlager11. Rollenlager12. Ölpumpe

Abbildung 34: Längsschnitt eines VSP, TYP G II

– 39 –

Page 47: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

6 Auslegung eines Prototyps

Folgend wird der erste Prototyp einer Flügelrad-Wind-Turbine ausgelegt. Für

die möglichen Versuche und Messungen an unterschiedlichen Stellen muss der

erste Prototyp von der Größe und Gewicht ohne großen Aufwand transpotier-

bar sein. Die genaue Auswahl der mechanischen sowie elektrischen Komponen-

ten ist nicht im Rahmen dieser Ausarbeitung. Der Blattverstellmechnismus kann

mechanisch wie im Voith-Schneider-Propeller realisiert werden oder per elektri-

schem Antriebe wie Schritt- oder Servo-Antriebe. Ein elektrisches Verstellungs-

antrieb ist für einen Prototyp vorteilhafter als mechanische Variante. Mit der

Regelungsmöglichkeiten, die ein elektrischer Antrieb bietet kann, können z. B.

alle drei Flügelradpropeller-Arten (Schnellläufer, Kirsten-Boeing-Propeller und

Langsamläufer) die optimale Einstellung getestet werden.

Das ausgewählte aerodynamische Profil und dessen Beiwerte beruhen auf Ergeb-

nisse der aerodynamischen Versuche von Ludwig Prandtl und Albert Betz.[11]

Randbedingungen

� Windgeschwindigkeit v1 = 6m/s

� Luftdichte bei T = 25◦C ⇒ ρ = 1,184kg/m3

� Masthöhe 10m

Rotor

� Rotor-Durchmesser D = 1200mm

� Profiltiefe t = 200mm

� Spannweite b = 900mm

� Anzahl der Flügelblätter B = 5st.

� Rotorfläche A = 1,08m2.

� Völligkeit des Profils σ = 1,667

� Leistung des Luftstromes P0 = 1,1kW

� Flügelprofil GOE 676 (=NACA M12) (Abbildung 35)

– 40 –

Page 48: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

6 Auslegung eines Prototyps

Tabelle 5: Koordinaten des Profils GOE 676

x 0 1,25 2,5 5 7,5 10 15 20

yo 0 1,85 2,7 3,95 4,85 5,5 6,6 7,35yu 0 -1,6 -2,15 -2,7 -3 -3,25 -3,5 -3,7

x 30 40 50 60 70 80 90 95 100

yo 7,95 7,85 7,25 6,2 4,95 3,4 1,8 0,95 0,15yu -3,95 -3,95 -3,75 -3,45 -2,95 -2,25 -1,25 -0,7 -0,15

Tabelle 6: Aerodynamische Kräfte von Profil GOE 676

α cA cW cM FA FW FR FA FW FR

-32,5 -0,623 0,448 -0,273 -9,6 6,9 11,8 -2,4 1,7 2,9-24,5 -0,54 0,315 -0,224 -8,3 4,8 9,6 -2,1 1,2 2,4-17,6 -0,516 0,212 -0,186 -7,9 3,3 8,6 -2,0 0,8 2,1-11,5 -0,528 0,118 -0,149 -8,1 1,8 8,3 -2,0 0,5 2,1-5,6 -0,252 0,0166 -0,027 -3,9 0,3 3,9 -1,0 0,1 1,0-3 -0,079 0,0118 0,007 -1,2 0,2 1,2 -0,3 0,0 0,30 0,102 0,0094 0,047 1,6 0,1 1,6 0,4 0,0 0,42,9 0,324 0,0158 0,102 5,0 0,2 5,0 1,2 0,1 1,25,8 0,549 0,0301 0,17 8,4 0,5 8,4 2,1 0,1 2,18,7 0,743 0,0477 0,215 11,4 0,7 11,4 2,9 0,2 2,911,7 0,887 0,0684 0,236 13,6 1 13,6 3,4 0,3 3,414,6 0,989 0,0932 0,255 15,2 1,4 15,3 3,8 0,4 3,816,6 1,029 0,121 0,277 15,8 1,9 15,9 3,9 0,5 4,017,6 1,047 0,139 0,287 16,1 2,1 16,2 4,0 0,5 4,118,6 1,049 0,159 0,296 16,1 2,4 16,3 4,0 0,6 4,120,7 0,738 0,256 0,27 11,3 3,9 12,0 2,8 1,0 3,0

v = 12m/s v = 6m/s

– 41 –

Page 49: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

6 Auslegung eines Prototyps

−35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0 5 10 15 20 25

−10

−5

0

5

10

15

FA

FR

FW

Anstellwinkel α

Aer

odyn

amis

che

Krä

fteFA

;FW

;FR

Die aerodynamische Kräfte aufgetragen über den Anstellwinkel α

Abbildung 35: Profil GOE 676 doer NACA M12

– 42 –

Page 50: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

6 Auslegung eines Prototyps

Die Blättereinstellung in der Abbildung 29 erfolgte dermaßen, dass die Num-

mer eins einen Winkel von 14◦ hat und die folgende Blätter haben jeweils eine

Winkelverschiebung von 72◦. In schuberzeugende Betriebszustand sind die re-

sultierende Kräfte folgendes:

Fall I

� Drehzahl n = 2,3s−1

� Winkelgeschwindigkeit ω = 14,5s−1

� Fortschrittsgrad λF = 0,7

� Fortschrittsgrad λ0 = 0,9

� Schnelllaufzahl λ = 1,4

� x = 2,324

� cp(x) = 0,15

Anstellwinkel Resultierende Kraft

α = 0,7◦ FR1 = 0,4N

α = 5,3◦ FR2 = 2,1N

α = 20,5◦ FR3 = 3,0N

α = −11,5◦ FR4 = 2,1N

α = −3,2◦ FR5 = 0,3N

FRges. = 7,9N

ON ′ = 0,54m M = 4,3Nm

Fall II

� Drehzahl n = 2,3s−1

� Winkelgeschwindigkeit ω = 14,5s−1

� Fortschrittsgrad λF = 1,4

� Fortschrittsgrad λ0 = 2,0

� Schnelllaufzahl λ = 0,7

� x = 1,16

� cp(x) = 0,49

– 43 –

Page 51: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

6 Auslegung eines Prototyps

Anstellwinkel Resultierende Kraft

α = 1,2◦ FR1 = 1,4N

α = 8,7◦ FR2 = 11,4N

α = −20,1◦ FR3 = 9,1N

α = 4,6◦ FR4 = 6,8N

α = −5,4◦ FR5 = 3,9N

FRges. = 32,6N

ON ′ = 1,2m M = 39,12Nm

Die entstehende Kräfte und Momente scheinen kleiner als erwarte zu sein. Al-

lerdings ist interessant, dass mit der Zunahme der Geschwindigkeit die aero-

dynamischen Kräfte extrem steigen. Im Vergleich von Fall I und II bei Verdop-

pelung der Geschwindigkeit vervierfacht sich die Kraft und das Moment wird

verzehnfacht. Obwohl die Kräfte klein aussehen, kann der Flazz zwei sehr gu-

te Leistungsbeiwerte erzielen, wenn man den Leistungsbeiwert cp(x) nach der

Gleichung 2.23 berechnet.er Fall zwei hat sehr guten Leistungsbeiwert. Der be-

rechnete Leistungsbeiwert ist 90% des maximal erreichbaren Wertes.

Bei Auslegung einer Windkraftanlage ist die Auswahl eines optimalen Profils

sehr wichtig. Die NACA-Profile sind nicht die einzigen Profile die in Frage kom-

men. Es besteht die Möglichkeit anhand zukünftiger Versuche bessere Profile zu

finden. Das reale aerodynamische Verhalten einer vertikalen Windkraftanlage

muss anhand empirischer Methoden untersucht werden. Die oben ausgeführten

Berechnungen sind die ersten Annahmen, die durch iterative Berechnungen opti-

miert werden müssen. Es wurde leider im Bereich der kleinen Windkraftanlagen

besonders bei vertikalen Windkraftanlagen bis heute sehr wenig geforscht. Des-

halb steht in der Fachliteratur sehr wenig über vertikale Windkraftanlagen.

– 44 –

Page 52: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

7 Zusammenfassung

Die vertikale Windkraftanlagen haben das Potenzial im Bereich der kleinen

Windkraftanlagen mit horizontalen Anlagen zu konkurieren. Die Entwicklung

der mechanischen sowie elektrischen Bauteilen in den letzten Jahrzehnten er-

möglichen die Ingenieuren leichtere robustere und verschleißarmere Anlage zu

konstruieren. Durch die Erweiterung des Blattverstellmechanismus kann die

Drehzahl eines Vertikal-Rotors geregelt werden. Das genaue aerodynamische

Verhalten und die Wirbelentstehung können mittels neueren leistungsstärke-

ren Rechner simuliert und berechnet werden. Die Technik von heute ist nicht

vergleichbar mit den 90er Jahren, wo damals die Darrieus-Rotoren ernsthaft un-

tersucht worden.

Ein weiterer Vorteil von VAWT ist die Windrichtungsunabhängigkeit und damit

ist die Windnachführung nicht notwendig. Dies ermöglicht eine einfache Kon-

struktion und die optimale Nutzung der Windenergie. Es ist von großem Interes-

se, dass man anhand eines Prototyps alle drei mögliche Blatteinstellungen eines

Flügelrades zu untersuchen. Die vertikale Windkraftanlagen habe eine kleinere

Blattspitzengeschwindigkeit gegenüber HAWT und dadurch geräuschärmer Be-

trieb.

Die Marktbetrachtung zeigt, die Realisierung vertikalen Windkraftanlagen mit

gewünschter Leistung zur Zeit noch Monopol ist. Der Markt der Windenergie-

anlage ist noch in Einführungszeit und sehr weit von der Sättigung des Marktes

entfernt. Die Herstellungskosten der Flügelblätter von VAWT sind sehr geringer

als die von HAWT. Man kann die Flügelblätter mit konstanter Profiltiefe herstel-

len. Die vertikale Windkraftanlagen in größere Dimensionen zubauen erfordert

neuere Forschung und empirische Versuche um die offene Fragen zu beantwor-

ten.

Die Zeit ist gekommen, dass die Menschen ihre Energiebedürfnisse aus erneuer-

baren Quellen erzeugen, um die Zukunft der Erde zu sichern.

– 45 –

Page 53: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Literatur

[1] Hau, E.: Windkraftanlagen : Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit.4. Aufl. Krailling : Springer-Verlag Berlin, 2008.

[2] Schaffarczyk, A.: Einführung in die Aerodynamik der Windturbinen. Vorle-

sungsskript. Kiel, 2012.

[3] Chaudhary R. I. und Williamson, D.: ENDPLATE EFFECTIVENESS FOR ANACA 0015 AIRFOIL. Dissertation. Colorado, 1992.

[4] Gasch Robert und Twele, J.: Windkraftanlagen : Grundlagen, Entwurf, Pla-nung und Betrieb. Wisbaden : Teubner Verlag, 2005.

[5] SCHAEFFLER AT HUSUM WINDENERGY 2012. Pressemitteilung. HU-

SUM/SCHWEINFURT, 2012.

[6] Jüttemann, P.: Kleinwind-Marktreport 2013/2014 : Die besten Kleinwindan-lagen in Deutschland. Technical Report. Hardenbergstrasse 10, D-44866 Bo-

chum, 2013.

[7] J.Mayer, C. D. J. S.: Stromgestehungskosten erneuernare Energien. Studie.

Heidenhofstrasse 2, 79110 Freiburg, 2012.

[8] Fairwind: TODAY’S ENERGY FOR TOMORROW’S WORLD : Vertical AxisWind Turbines for pvivate citizens, small companies, farms, etc. Produktkata-

log. Rue Roi Albert 3b, Belgium-7180 Seneffe, 2012.

[9] Oelmühle, M.: Windenergie nutzen : Vertikale Windgeneratoren. Produktka-

talog. Bruneggerstrasse 44, CH-5103 Möriken, 2012.

[10] Jürgens Birgit und Fork, W.: Faszination Voith-Schneider-Propeller : Ge-schichte und Technik. Hamburg : Koehlers Verlagsgesellschaft mbH, 2002.

[11] Prandtl Ludwig und Betz, A.: Ergebnisse der Aerodynamischen Versuchan-stalt zu Göttingen : IV.Lieferung. Göttingen : Universitätsverlag Göttingen,

2009.

– 46 –

Page 54: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Anhang

Abbildung 36: Voith-Schneider-Propeller

Abbildung 37: Die Kräfte-Diagramm des Voith-Schneider-Propellers

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Page 55: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Literatur

Tabelle 7: Die Anstellwinkel von Flügelrad-Turbine über ganze Perioden

ϕ ε εo α

0 0,0 0,0 0,02 0,8 0,9 0,14 1,6 1,8 0,26 2,5 2,8 0,38 3,3 3,7 0,410 4,1 4,6 0,512 4,9 5,5 0,614 5,7 6,4 0,716 6,5 7,3 0,818 7,3 8,3 0,920 8,2 9,2 1,022 9,0 10,1 1,124 9,8 11,0 1,226 10,6 11,9 1,328 11,4 12,8 1,430 12,2 13,8 1,532 13,0 14,7 1,734 13,8 15,6 1,836 14,6 16,5 1,938 15,4 17,4 2,040 16,2 18,3 2,142 17,0 19,2 2,244 17,8 20,1 2,346 18,6 21,0 2,448 19,4 21,9 2,650 20,1 22,8 2,752 20,9 23,7 2,854 21,7 24,6 2,956 22,5 25,5 3,158 23,2 26,4 3,260 24,0 27,3 3,362 24,8 28,2 3,564 25,5 29,1 3,666 26,3 30,0 3,768 27,0 30,9 3,970 27,7 31,8 4,072 28,5 32,6 4,274 29,2 33,5 4,376 29,9 34,4 4,578 30,6 35,2 4,680 31,3 36,1 4,8

ϕ ε εo α

82 32,0 37,0 5,084 32,7 37,8 5,186 33,4 38,7 5,388 34,0 39,5 5,590 34,7 40,4 5,792 35,3 41,2 5,994 36,0 42,0 6,196 36,6 42,9 6,398 37,2 43,7 6,5100 37,8 44,5 6,7102 38,3 45,3 7,0104 38,9 46,1 7,2106 39,4 46,9 7,4108 39,9 47,6 7,7110 40,4 48,4 8,0112 40,9 49,1 8,2114 41,3 49,9 8,5116 41,8 50,6 8,8118 42,1 51,3 9,2120 42,5 52,0 9,5122 42,8 52,7 9,9124 43,1 53,3 10,2126 43,3 54,0 10,6128 43,5 54,6 11,0130 43,7 55,1 11,5132 43,8 55,7 11,9134 43,8 56,2 12,4136 43,7 56,7 12,9138 43,6 57,1 13,4140 43,4 57,4 14,0142 43,1 57,7 14,6144 42,7 58,0 15,2146 42,2 58,1 15,9148 41,6 58,2 16,6150 40,8 58,2 17,4152 39,9 58,0 18,1154 38,7 57,6 18,9156 37,4 57,1 19,7158 35,9 56,4 20,5160 34,1 55,3 21,2162 32,0 53,9 21,9

ϕ ε εo α

164 29,7 52,0 22,4166 27,0 49,6 22,6168 24,0 46,4 22,4170 20,7 42,2 21,5172 17,0 36,8 19,8174 13,1 29,9 16,8176 8,9 21,3 12,4178 4,5 11,1 6,7180 0,0 0,0 0,0182 -4,5 -11,1 -6,7184 -8,9 -21,3 -12,4186 -13,1 -29,9 -16,8188 -17,0 -36,8 -19,8190 -20,7 -42,2 -21,5192 -24,0 -46,4 -22,4194 -27,0 -49,6 -22,6196 -29,7 -52,0 -22,4198 -32,0 -53,9 -21,9200 -34,1 -55,3 -21,2202 -35,9 -56,4 -20,5204 -37,4 -57,1 -19,7206 -38,7 -57,6 -18,9208 -39,9 -58,0 -18,1210 -40,8 -58,2 -17,4212 -41,6 -58,2 -16,6214 -42,2 -58,1 -15,9216 -42,7 -58,0 -15,2218 -43,1 -57,7 -14,6220 -43,4 -57,4 -14,0222 -43,6 -57,1 -13,4224 -43,7 -56,7 -12,9226 -43,8 -56,2 -12,4228 -43,8 -55,7 -11,9230 -43,7 -55,1 -11,5232 -43,5 -54,6 -11,0234 -43,3 -54,0 -10,6236 -43,1 -53,3 -10,2238 -42,8 -52,7 -9,9240 -42,5 -52,0 -9,5242 -42,1 -51,3 -9,2244 -41,8 -50,6 -8,8

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Page 56: Auslegung einer vertikale Windkraftanlage

Literatur

ϕ ε εo α

246 -41,3 -49,9 -8,5248 -40,9 -49,1 -8,2250 -40,4 -48,4 -8,0252 -39,9 -47,6 -7,7254 -39,4 -46,9 -7,4256 -38,9 -46,1 -7,2258 -38,3 -45,3 -7,0260 -37,8 -44,5 -6,7262 -37,2 -43,7 -6,5264 -36,6 -42,9 -6,3266 -36,0 -42,0 -6,1268 -35,3 -41,2 -5,9270 -34,7 -40,4 -5,7272 -34,0 -39,5 -5,5274 -33,4 -38,7 -5,3276 -32,7 -37,8 -5,1278 -32,0 -37,0 -5,0280 -31,3 -36,1 -4,8282 -30,6 -35,2 -4,6284 -29,9 -34,4 -4,5286 -29,2 -33,5 -4,3288 -28,5 -32,6 -4,2290 -27,7 -31,8 -4,0292 -27,0 -30,9 -3,9294 -26,3 -30,0 -3,7296 -25,5 -29,1 -3,6298 -24,8 -28,2 -3,5300 -24,0 -27,3 -3,3302 -23,2 -26,4 -3,2

ϕ ε εo α

304 -22,5 -25,5 -3,1306 -21,7 -24,6 -2,9308 -20,9 -23,7 -2,8310 -20,1 -22,8 -2,7312 -19,4 -21,9 -2,6314 -18,6 -21,0 -2,4316 -17,8 -20,1 -2,3318 -17,0 -19,2 -2,2320 -16,2 -18,3 -2,1322 -15,4 -17,4 -2,0324 -14,6 -16,5 -1,9326 -13,8 -15,6 -1,8328 -13,0 -14,7 -1,7330 -12,2 -13,8 -1,5332 -11,4 -12,8 -1,4334 -10,6 -11,9 -1,3336 -9,8 -11,0 -1,2338 -9,0 -10,1 -1,1340 -8,2 -9,2 -1,0342 -7,3 -8,3 -0,9344 -6,5 -7,3 -0,8346 -5,7 -6,4 -0,7348 -4,9 -5,5 -0,6350 -4,1 -4,6 -0,5352 -3,3 -3,7 -0,4354 -2,5 -2,8 -0,3356 -1,6 -1,8 -0,2358 -0,8 -0,9 -0,1360 0,0 0,0 0,0

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