Optimiertes Rotorblattdesign für selbstgebaute Windmühlen
Ziel dieses in Zusammenarbeit mit Mech425 durchgeführten Projekts ist es, den besten Winkel für flache, gleichmäßige Rotorblätter im Verhältnis zum Luftstrom zu ermitteln. Der Winkel der Rotorblätter sollte so optimiert werden, dass die größtmögliche Energiemenge in eine Drehbewegung umgewandelt wird. Flache Rotorblätter werden in Verbindung mit Turbinen mit vertikaler Achse verwendet und diese Bauweise wird im Allgemeinen gewählt, wenn Einfachheit bevorzugt wird oder wenn der Zugang zu Werkzeugen und Verbrauchsmaterial begrenzt ist.
- Das Projekt wurde ausgewählt, um Einzelpersonen zu unterstützen, die Strom durch die Nutzung des Windes erzeugen möchten
- Die Zielgruppe sind Menschen, die sich handelsübliche Modelle nicht leisten können und sich entschieden haben, ihr eigenes zu bauen
Windmühlen haben viele Funktionen und können überall dort betrieben werden, wo Wind vorhanden ist. Windmühlen verwenden ihre Rotorblätter, um die Energie des Windes in eine Drehbewegung umzuwandeln. Diese Drehbewegung kann entweder für direkte Arbeit genutzt oder erneut in Elektrizität umgewandelt werden. Ursprünglich wurden Windmühlen zum Mahlen in Mühlen verwendet. Heute werden sie immer noch für diesen Zweck verwendet, ihr Anwendungsbereich hat sich jedoch auf das Pumpen von Wasser und die Stromerzeugung ausgeweitet. In wirtschaftlich weniger entwickelten Ländern wird der von selbstgebauten Windmühlen erzeugte Strom häufig zum Laden von Batterien und Mobiltelefonen oder zum Betreiben von Beleuchtungsgeräten, Radios und Bewässerungspumpen verwendet.
Moderne, kommerziell erhältliche Windturbinen sind auf bestimmte Windgeschwindigkeiten zugeschnitten und können mit jeder Turbine Megawatt Strom erzeugen. Selbstgebaute Lösungen sind jedoch oft technisch minderwertig und wurden hinsichtlich ihrer Optimierung kaum untersucht. Dieser Bericht soll den besten Neigungswinkel der Rotorblätter im Verhältnis zum Gegenwind ermitteln, um die größtmögliche Strommenge zu erzeugen.
William Kamkwamba ist ein fantastisches Beispiel für jemanden, der von der in diesem Bericht vorgestellten Analyse profitieren könnte. Mit seinem Einfallsreichtum und seiner Versuch-und-Irrtum-Mentalität gelang es ihm, die Windmühle zu bauen. Er verwandelte erfolgreich die Schrottmaterialien um ihn herum in eine funktionsfähige Windmühle, die sowohl Licht als auch Bewässerung bietet. Seine Arbeit hat seiner Familie und seinen Freunden ein besseres Leben beschert und gleichzeitig Menschen auf der ganzen Welt inspiriert. Aufgrund seiner begrenzten formalen Bildung hat er jedoch keine technischen Berechnungen zur Optimierung des Designs einbezogen. Da immer mehr Menschen versuchen, das Potenzial des Windes auszuschöpfen, ist es sehr wertvoll, diese Geräte zu optimieren, um ihren sozialen Nutzen zu maximieren.
Weitere Informationen über William und seine inspirierende Geschichte finden Sie unten:
Vorteile von Flachklingen
Flachklingen sind weniger verbreitet als andere Designs, bieten aber erhebliche Vorteile, insbesondere in einkommensschwachen oder abgelegenen Gebieten. Im Folgenden finden Sie eine Liste der Vorteile, die die Verwendung von Flachklingen bietet:
- Einfach aufzubauen
- Weniger Design und Ortskenntnisse erforderlich
- Beim Bau sind weniger Geräte und Zeit erforderlich
- Es ist einfacher, sicherzustellen, dass die Klingen eine einheitliche Form und Größe haben
Technische Berechnungen
Die im Wind gespeicherte kinetische Energie kann nach dem Bernoulli-Prinzip berechnet werden:
KE = 1 / 2( m * v 2 )
Um die Energie des Windes zu ermitteln, müssen wir die Masse des Zylinders ermitteln. Diese ergibt sich aus dem Volumen des Zylinders multipliziert mit der Dichte der Flüssigkeit:
m = ρ * V
Das Gesamtvolumen der Flüssigkeit, das durch die zylindrische Säule dargestellt wird, beträgt:
V = A * L
Wir können die Grundfläche des Zylinders wie folgt berechnen:
A = 1 / 4(π * D 2 )
Die Länge des Zylinders stellt die Flüssigkeitsmenge dar, die durch die von der Windmühle überstrichene Fläche geflossen ist. Dies wird berechnet, indem die Windgeschwindigkeit mit der Zeit multipliziert wird:
L = v * t
Dies kann wie folgt vereinfacht werden:
KE = 1 / 8(ρ * π * D 2 ) * v 3 * t
Schließlich ist die Kraft des Windes einfach die Energie pro Zeiteinheit
P = π / 8(ρ * D 2 * v 3 )
Wie gezeigt, hängt die Kraft des Windes stark von der Luftgeschwindigkeit und in geringerem Maße vom Durchmesser der Rotorblätter ab. Die Energiemenge in der Flüssigkeit hängt mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeit hoch drei zusammen und zeigt, wie wichtig hohe Windgeschwindigkeiten sind. Um die Energieausbeute zu steigern, ist es daher am wichtigsten, einen Standort mit hohen Windgeschwindigkeiten zu finden. Dies kann erreicht werden, indem man einen Turm baut, um die Windmühle an einem höheren Standort zu platzieren. Dadurch wird die Wirkung von Hindernissen vom Boden aus verringert. Die Größe der Turbinenblätter ist ebenfalls wichtig und sollte auch als Methode zur Erzielung höherer Leistung in Betracht gezogen werden.
Maximal mögliche Effizienz
Die Betz-Grenze wurde von Albert Betz entwickelt und soll die maximal mögliche Energie darstellen, die ein Gerät aus einem Flüssigkeitsstrom bei einer bestimmten Geschwindigkeit gewinnen kann. Bei einer Windmühle kann der maximale theoretische Wirkungsgrad eines dünnen Rotors anhand der folgenden Annahmen ermittelt werden:
- Der Rotor gilt als ideal, da er eine unendliche Anzahl an Rotorblättern besitzt und keinen Luftwiderstand erzeugt.
- Der Fluss in den Rotor und aus ihm heraus ist axial und entspricht den Erhaltungsgleichungen.
- Die Flüssigkeit wird auf der Grundlage einer inkompressiblen Strömung modelliert.
Die Betz-Grenze hat einen theoretischen Maximalwert für den Leistungskoeffizienten von 0,593 vorhergesagt. Dies bedeutet, dass die theoretische Grenze der aus der Flüssigkeit entfernten Leistung 59,3 % beträgt. Im Vergleich dazu können kommerzielle Windturbinen derzeit aufgrund leichter Ineffizienzen im Zusammenhang mit dem Rotorblattdesign und dem mechanischen Prozess eine Umwandlung von 40 bis 50 % erreichen. [ 1 ]
Optimaler Winkel der Klingen
Die in einem Flüssigkeitsstrom verfügbare Energiemenge ist unten angegeben und hängt eng mit der Flüssigkeitsgeschwindigkeit und der überstrichenen Fläche der Rotorblätter zusammen. Die andere wichtige Komponente ist, wie viel Energie aus der ankommenden Flüssigkeit gewonnen werden kann. Bei flachen Rotorblättern bestimmt der Winkel, in dem die Windmühlenblätter im Vergleich zum Flüssigkeitsstrom geneigt sind, wie viel Energie in eine Drehbewegung umgewandelt und dann vom System für sinnvolle Arbeit erfasst werden kann. Der optimale Winkel wurde unten berechnet:
Der Winddruck ist die Kraft, die der Wind pro Flächeneinheit der Rotorblätter ausübt und wird wie folgt angegeben: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v 2
- Wobei c eine Konstante ist und für lange, flache Platten 1,0 beträgt.
Die Kraft des Windes gegen das Windradblatt basiert auf dem Winddruck multipliziert mit der Fläche des Blattes, die der Anströmung zugewandt ist. Falls das Blatt in einem Winkel zum ankommenden Luftstrom geneigt ist, wird die Fläche des Blattes, die der Flüssigkeit ausgesetzt ist, um den Faktor sin θ reduziert . Daher wird die Winddruckberechnung mit A * sin θ multipliziert , um die Kraft des Windes auf die Blätter zu erhalten. Darüber hinaus hängt die Kraft des Windes, die in eine Drehbewegung umgewandelt wird, vom Winkel des Blattes im Verhältnis zur ankommenden Flüssigkeitsströmung ab. Diese Beziehung wird durch den Faktor cos θ angegeben .
Darüber hinaus unterliegen die Rotorblätter einem Widerstandskoeffizienten, der mit dem Winkel der Rotorblätter zusammenhängt, wenn sie um ihre eigene Achse senkrecht zur anströmenden Flüssigkeit rotieren. Dieser Widerstandskoeffizient wird durch D * cos θ ausgedrückt .
Daher lautet die kombinierte Berechnung zur Ermittlung des Kräftegleichgewichts an den Blättern:
F = ρ * v 2 * A * sin θ * cos θ * D * cos θ
Eine wichtige zu beachtende Beziehung ist die zwischen Kraft und θ . Die kombinierte Kräftebilanz weist auf eine Beziehung zwischen Kraft und sin θ * cos θ * cos θ hin .
Die optimale Neigung der Rotorblätter würde dem Luftstrom einen Winkel verleihen, bei dem sin θ * cos θ * cos θ maximal ist. Dieser Wert wurde in der folgenden Grafik dargestellt, um zu zeigen, wie sich der Wert ändert, wenn θ angepasst wird.

Der Winkel wird in Radiant eingestellt und scheint einen Maximalwert bei etwa 0,62 Radiant oder rund 35,5 Grad zu haben. Dies entspricht einer maximalen Umwandlung von 38,5 % der Windkraft in eine Drehbewegung. Daher sollten die Rotorblätter in einem Winkel von rund 35,5 Grad zum entgegenkommenden Luftstrom geneigt sein, um bei Windmühlen mit flachen Rotorblättern die optimale Energiemenge zu erzielen.
Für diesen Blattwinkel war eine numerische Strömungsmechanik (CFD)-Analyse vorgesehen, um die Druckverteilung und den Luftstrom beim Passieren der Blätter zu untersuchen. Leider ist die Lizenz für die CFD-Software Fluent abgelaufen. Das vernetzte Modell des Blattdesigns, das mit dem Programm Gambit erstellt wurde, ist unten aufgeführt.
Die abgeschlossene CFD-Analyse wird veröffentlicht, sobald Zugriff auf Fluent oder ein gleichwertiges Softwareprogramm verfügbar ist.
Regionale Überlegungen
Die Zielregionen für diese Technologie sind Orte, an denen die Menschen nur begrenzten Zugang zu Werkzeugen oder Vorräten haben, wie etwa in Afrika südlich der Sahara. Darüber hinaus muss das Gebiet Zugang zu angemessenen Windressourcen und bestimmten wichtigen Materialien haben. Zu diesen Materialien gehören viele technologisch fortschrittliche Materialien wie Generatoren und Motoren. Diese können jedoch auf Schrottplätzen gefunden werden, solange sie funktionsfähig sind und ihre grundlegenden Anforderungen erfüllen. Während sich viele Menschen diese Gegenstände nicht leisten können, gibt es viele kaputte Autos und Geräte, die ausreichen würden.
In Bezug auf die sozialen Auswirkungen ist der Zugang zu Elektrizität ein mächtiges Instrument, das dazu beitragen kann, Gemeinschaften aus der Armut zu befreien. Andererseits hat sich wiederholt gezeigt, dass er dazu beiträgt, die wirtschaftliche Kluft zu vertiefen und zu vergrößern. Es ist wichtig, dass mit Energie respektvoll umgegangen wird und sie nicht als Mittel verwendet wird, um die Armen noch mehr zu verarmen.
Materialien
Die folgende Liste enthält die Grundmaterialien, die zum Bau einer Windmühle entweder zu Hause oder aus Schrott erforderlich sind. William Kamkwamba hat gezeigt, was möglich ist, und die Menschen auf der ganzen Welt inspiriert. Die Materialien, die er zum Bau seiner ersten Windmühle verwendete, sind unten aufgeführt: [ 2 ]
Wenn die Windmühle gebaut wird und die Absicht besteht, Strom zu speichern, dann werden außerdem folgende Materialien benötigt: [ 3 ]
- 12-V-Deep-Cycle-Batterien (wenn der Benutzer elektrische Energie speichern möchte)
- Laderegler zur Regulierung der Akkuladung
- DC/AC-Wandler
- Brückengleichrichter (um sicherzustellen, dass Strom in die Batterien fließt)
Werkzeuge
Wenn es keine Einschränkungen hinsichtlich der verfügbaren Werkzeuge gibt, wäre es nützlich, eine Säge, einen Schraubenzieher, Schrauben, einen Hammer, Nägel, Unterlegscheiben, Muttern und Bolzen, eine Wasserwaage und einen Marker dabei zu haben. Darüber hinaus wären die Elektroarbeiten mit Zangen sowie Spannungs-, Stromstärken- und Widerstandsmessgeräten einfacher. In ländlichen Gegenden der Welt sind die Menschen jedoch gezwungen, mit den verfügbaren Ressourcen kreativer umzugehen. Hier sind einige Beispiele, wie dies der Fall ist: [ 4 ]
- Die flachen Klingen können hergestellt werden, indem man ein PVC-Rohr mit einer Säge oder einem ähnlichen Gerät der Länge nach aufschneidet und das Rohr dann über einem Feuer erhitzt. Sobald es heiß ist, kann man es zu einer langen, flachen Klinge formen.
- Unterlegscheiben können hergestellt werden, indem man Flaschenverschlüsse platt hämmert und dann in der Mitte ein Loch sticht.
Unter diesen Umständen werden Nägel, Steine, Feuer und Holz zu den Werkzeugen, mit denen die Windturbine gebaut wird. Stahl oder Steine können als Hämmer verwendet werden, Fahrradspeichen können an einem Stein entlang geschabt werden, um eine flache Kante zu erzeugen, und Plastiktüten können geschmolzen werden, um einen Griff um ein Ende zu bauen. Außerdem können Bohrer aus einem Maiskolben als Griff und einem herausziehbaren Nagel hergestellt werden. Der Nagel kann dann über offenem Feuer erhitzt werden, bis er glühend heiß ist, und dann verwendet werden, um bestimmte Materialien zu durchbohren.
Fähigkeiten und Kenntnisse
Um das Energieerzeugungspotenzial von Windkraftanlagen nutzen zu können, ist es wichtig zu wissen, wie viel Wind an einem bestimmten Standort vorhanden ist. Eine Beaufort-Skala bietet einen Hinweis auf die Windgeschwindigkeiten basierend auf verschiedenen visuellen Hinweisen. Während diese Hinweise Hinweise auf die Windgeschwindigkeit am Boden geben, ist es wahrscheinlich, dass der Wind mit zunehmender Höhe mehr Energie enthält. Dies basiert auf der Grenzschicht, die sich auf der Erdoberfläche bildet, sowie auf verschiedenen Hindernissen am Boden, die den Windfluss beeinflussen. Die Beaufort-Skala ist unten angegeben: [ 5 ]

Um eine umfassendere Liste der physischen Identifizierungsfaktoren zu erhalten, folgen Sie bitte diesem Link.
Um den erzeugten Strom zu übertragen und ihn für Anwendungen wie den Betrieb von Lampen, Radios oder das Laden von Batterien zu verwenden, ist es außerdem wichtig, Kenntnisse der Elektrotheorie zu haben, wie etwa der erforderlichen Spannung und Stromstärke, um das gewünschte Gerät mit Strom zu versorgen. Eine Übersicht über dieses Wissen finden Sie hier.
Technische Daten
William konnte seine Windmühle anhand des unten gezeigten Schemas bauen. [ 6 ] Sie wurde dann auf einen großen Turm montiert, den er aus Holz gebaut hatte. Insgesamt ist die Maschine vom Konzept her recht einfach, die größten Einschränkungen sind die verfügbaren Materialien und der begrenzte Zugang zu Werkzeugen. Durch Tests stellte William fest, dass eine Windmühle mit vier Flügeln nach seinem Entwurf mehr Strom erzeugen konnte als ihr Gegenstück mit drei Flügeln. [ 7 ]

Geschätzte Kosten
William hat angegeben, dass die Herstellung seiner Windmühle etwa 15 US-Dollar gekostet hat und dass der Fahrradgenerator am schwierigsten zu beschaffen war. [ 8 ] Eine Schätzung der Kosten für die verschiedenen Komponenten wurde auf Grundlage dessen erstellt, was er kostenlos auf dem Schrottplatz oder von der Familie finden konnte.

In rural settings, the cost for the parts will vary significantly based on the materials that can be salvaged or must be purchased either locally or from neighbouring villages. Therefore, it is more appropriate to offer a range of anticipated costs based on the variability of how accessible certain materials are. While this is purely an estimate, it offers an idea as to how much one might expect to pay for the parts.

As indicated, the range of costs is approximately $0 - $99 and provides a general range of project costs based on how much can be salvaged. Based on these estimates, William's $15 budget appears to be at the lower end of the range as he was able to find the majority of his materials from what others considered to be waste.
Beyond the initial cost, the power harnessed from the wind has an opportunity to become an income generating technology. Cell phones have provided jobs to many people who rent their phones to individuals looking to call neighboring markets to determine the price for various goods. Similarly, power can be sold to people looking to charge their cell phones or other batteries that can be used for lighting applications or to listen to radios.
Common Mistakes
There are many variations to the windmill design used by William Kamkwamba and refined throughout this section. However, there are some variations that are commonly used and have a negative impact on performance. One of these examples is using wood as the material to create blades. Wood is a poor choice as it is a heavier substance and therefore requires more energy to begin rotation and achieve more spin. Other materials should be considered.
Also, it is very important that blades are evenly shaped as this can cause a wobble to occur. The wobble will result in reduced performance and will shorten the windmill's life based on additional vibrations. The windmill blades should also be placed high above all other obstructions in order to obtain a more powerful and consistent wind stream. A good rule of thumb is to place the turbine twice as high as any nearby obstructions.
Other Designs
If you happen to have access to additional equipment such as saws and sand paper, then it may be possible to use the design showcased in the video below. Also, be sure to note that the wind turbine is able to pivot and uses a tail to direct the blades into the wind.
References
- ↑ Gorlov A.M., Silantyev V.M., Limits of the Turbine Efficiency for Free Fluid Flow, Journal of Energy Resources Technology - December 2001 - Volume 123, Issue 4, pp. 311-317.
- ↑ Kamkwamba, William. Der Junge, der den Wind einfing.fckLRWilliam Morrow, 2009.
- ↑ Bauen Sie eine Windturbine. Verfügbar unter: http://web.archive.org/web/20210101102628/http://makeawindturbine.com/ [Zugriff am 9. April 2010].
- ↑ The Doers Club. Verfügbar unter: http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 .[Zugriff am 4. April 2010]
- ↑ Die Beaufort-Skala. Verfügbar unter: http://web.archive.org/web/20100822162021/http://gcaptain.com:80/maritime/blog/beaufort-scale-images [Zugriff am 4. April 2010].
- ↑ The Doers Club. Verfügbar unter: http://web.archive.org/web/20100822115207/http://changeobserver.designobserver.com:80/entryprint.html?entry=10707 .[Zugriff am 4. April 2010]
- ↑ Kamkwamba, William. Der Junge, der den Wind einfing. William Morrow, 2009.
- ↑ African Leadership Academy. Verfügbar unter: http://www.alagapyear.org/community/african_students/williamk.htmlfckLR [Zugriff am 16. April 2010].