Optimized Blade Design for Homemade Windmills/de

Ziel dieses in Zusammenarbeit mit Mech425 entwickelten Projekts ist es, den optimalen Anstellwinkel flacher, gleichmäßiger Schaufeln in Bezug auf den Luftstrom zu ermitteln. Der Schaufelwinkel soll so optimiert werden, dass möglichst viel Energie in Rotationsbewegung umgewandelt wird. Flache Schaufeln werden in Verbindung mit Vertikalachsenturbinen eingesetzt. Diese Bauweise wird in der Regel gewählt, wenn Einfachheit erwünscht ist oder der Zugang zu Werkzeugen und Materialien eingeschränkt ist.

• Das Projekt wurde ausgewählt, um Einzelpersonen zu unterstützen, die durch Windenergie Strom erzeugen möchten.
• Die Zielgruppe sind Menschen, die sich keine handelsüblichen Modelle leisten können und sich deshalb für den Selbstbau entschieden haben.

Windmühlen erfüllen viele Funktionen und können überall dort betrieben werden, wo Wind weht. Sie nutzen ihre Flügel, um die Windenergie in Rotationsbewegung umzuwandeln. Diese Rotationsbewegung kann entweder direkt für Arbeit genutzt oder in Strom umgewandelt werden. Ursprünglich wurden Windmühlen zum Mahlen von Getreide in Mühlen eingesetzt. Heute werden sie zwar immer noch für diesen Zweck verwendet, ihr Anwendungsbereich hat sich aber auf das Pumpen von Wasser und die Stromerzeugung erweitert. In wirtschaftlich weniger entwickelten Ländern wird der von selbstgebauten Windmühlen erzeugte Strom häufig zum Laden von Akkus und Mobiltelefonen oder zum Betrieb von Beleuchtungsgeräten, Radios und Bewässerungspumpen genutzt.

Moderne, kommerziell erhältliche Windkraftanlagen sind auf spezifische Windgeschwindigkeiten ausgelegt und erzeugen pro Turbine mehrere Megawatt Strom. Selbstgebaute Lösungen hingegen sind oft technisch weniger fortschrittlich und wurden hinsichtlich ihrer Optimierung kaum untersucht. Dieser Bericht zielt darauf ab, den optimalen Anstellwinkel der Rotorblätter in Bezug auf den anströmenden Wind zu ermitteln, um die maximale Stromerzeugung zu erzielen.

William Kamkwamba ist ein hervorragendes Beispiel für jemanden, der von der in diesem Bericht präsentierten Analyse profitieren könnte. Mit seinem Einfallsreichtum und einer Mischung aus Versuch und Irrtum baute er die Windmühle. Er verwandelte die um ihn herum vorhandenen Schrottmaterialien erfolgreich in eine funktionelle Windmühle, die sowohl Licht als auch Bewässerung bietet. Seine Arbeit hat seiner Familie und seinen Freunden ein besseres Leben ermöglicht und Menschen weltweit inspiriert. Aufgrund seiner begrenzten Schulbildung berücksichtigte er jedoch keine ingenieurtechnischen Berechnungen zur Optimierung des Designs. Da immer mehr Menschen versuchen, das Potenzial des Windes zu nutzen, ist es von großem Wert, diese Anlagen zu optimieren, um ihren gesellschaftlichen Nutzen zu maximieren.

Weitere Informationen über William und seine inspirierende Geschichte finden Sie unten:

Vorteile von Flachklingen

Flachmesser sind weniger verbreitet als andere Bauarten, bieten aber erhebliche Vorteile, insbesondere in einkommensschwachen oder abgelegenen Gebieten. Im Folgenden finden Sie eine Liste der Vorteile von Flachmessern:

• Einfach zu bauen
• Weniger Design- und Ortskenntnisse erforderlich
• Beim Bau wird weniger Ausrüstung und Zeit benötigt.
• Es ist einfacher sicherzustellen, dass die Klingen eine einheitliche Form und Größe haben.

Technische Berechnungen

Die im Wind gespeicherte kinetische Energie kann gemäß dem Bernoulli-Prinzip bestimmt werden:

KE = 1 / 2( m * v ² )

Um die Energie des Windes zu bestimmen, müssen wir die Masse des Zylinders ermitteln. Diese ergibt sich aus dem Volumen des Zylinders multipliziert mit der Dichte des Fluids:

m = ρ * V

Das Gesamtvolumen der Flüssigkeit, das durch die zylindrische Säule dargestellt wird, beträgt:

V = A * L

Die Fläche der Zylindergrundfläche lässt sich wie folgt berechnen:

A = 1 / 4(π * D ² )

Die Länge des Zylinders entspricht der Menge an Flüssigkeit, die durch die vom Windrad überstrichene Fläche geströmt ist. Diese wird berechnet, indem die Windgeschwindigkeit mit der Zeit multipliziert wird:

L = v * t

Dies lässt sich wie folgt vereinfachen:

KE = 1 / 8(ρ * π * D ² ) * v ³ * t

Letztendlich ist die Leistung des Windes einfach die Energie pro Zeiteinheit.

P = π / 8(ρ * D ² * v ³ )

Wie gezeigt, hängt die Windenergie stark von der Luftgeschwindigkeit und in geringerem Maße vom Durchmesser der Rotorblätter ab. Die Energiemenge im Fluid ist proportional zur dritten Potenz der Fluidgeschwindigkeit und unterstreicht die Bedeutung hoher Windgeschwindigkeiten. Um die Energieausbeute zu steigern, ist daher die Wahl eines Standorts mit hohen Windgeschwindigkeiten entscheidend. Dies lässt sich durch den Bau eines Turms erreichen, der die Windkraftanlage höher positioniert. Dadurch werden die Auswirkungen von Hindernissen am Boden reduziert. Auch die Größe der Turbinenblätter ist wichtig und sollte als Möglichkeit zur Leistungssteigerung berücksichtigt werden.

Maximale Effizienz

Die Betz-Grenze wurde von Albert Betz entwickelt und soll die maximal mögliche Energie darstellen, die ein Gerät aus einem Fluidstrom bei einer gegebenen Geschwindigkeit gewinnen kann. Im Fall einer Windmühle lässt sich der maximale theoretische Wirkungsgrad eines dünnen Rotors anhand der folgenden Annahmen bestimmen:

• Der Rotor gilt als ideal, da er über unendlich viele Blätter verfügt und keinen Luftwiderstand aufweist.
• Die Strömung in und aus dem Rotor ist axial und entspricht den Erhaltungsgleichungen.
• Das Fluid wird auf Basis einer inkompressiblen Strömung modelliert.

Die Betz-Grenze sagt einen theoretischen Maximalwert von 0,593 für den Leistungsbeiwert voraus. Dies bedeutet, dass die theoretische Grenze der dem Fluid entnommenen Leistung bei 59,3 % liegt. Im Vergleich dazu erreichen kommerzielle Windkraftanlagen derzeit aufgrund geringfügiger Ineffizienzen im Zusammenhang mit der Rotorblattkonstruktion und dem mechanischen Fertigungsprozess einen Wirkungsgrad von 40–50 %. ^{[ 1 ]}

Optimaler Klingenwinkel

Die im Fluidstrom verfügbare Energie ist unten angegeben und hängt eng mit der Fluidgeschwindigkeit und der überstrichenen Fläche der Rotorblätter zusammen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die aus dem anströmenden Fluid gewinnbare Energie. Bei flachen Rotorblättern bestimmt der Neigungswinkel der Windmühlenblätter relativ zum Fluidstrom, wie viel Energie in Rotationsbewegung umgewandelt und anschließend vom System für sinnvolle Arbeit genutzt werden kann. Der optimale Winkel wurde unten berechnet:

Der Winddruck ist die Kraft, die der Wind pro Flächeneinheit der Rotorblätter ausübt, und berechnet sich wie folgt: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• Dabei ist c eine Konstante und beträgt für lange, flache Platten 1,0.

Die Kraft des Windes auf das Windmühlenblatt ergibt sich aus dem Winddruck multipliziert mit der Fläche des Blattes, die der Anströmung zugewandt ist. Ist das Blatt gegenüber der Anströmung geneigt, verringert sich die der Strömung ausgesetzte Fläche um den Faktor sin θ . Daher wird der berechnete Winddruck mit A * sin θ multipliziert , um die Windkraft auf die Blätter zu erhalten. Die in eine Drehbewegung umgewandelte Windkraft hängt zudem vom Anstellwinkel des Blattes zur Anströmung ab. Dieser Zusammenhang wird durch den Faktor cos θ beschrieben .

Des Weiteren erfahren die Schaufeln einen Widerstandsbeiwert, der vom Anstellwinkel der Schaufeln bei Rotation um ihre eigene Achse senkrecht zur Anströmrichtung abhängt. Dieser Widerstandsbeiwert wird durch D * cos θ dargestellt .

Die kombinierte Berechnung zur Bestimmung des Kräftegleichgewichts an den Blättern lautet daher:

F = ρ * v ² * A * sin θ * cos θ * D * cos θ

Eine wichtige Beziehung, die zu beachten ist, ist die zwischen Kraft und θ . Die kombinierte Kräftebilanz deutet auf eine Beziehung zwischen Kraft und sin θ * cos θ * cos θ hin .

Demnach würde die optimale Neigung der Rotorblätter einen Anströmwinkel erzeugen, bei dem sin θ * cos θ * cos θ maximal ist. Dieser Wert ist in der untenstehenden Grafik dargestellt, um zu zeigen, wie er sich bei Anpassung von θ ändert.

Der Winkel wird im Bogenmaß eingestellt und scheint einen Maximalwert von etwa 0,62 Bogenmaß bzw. ungefähr 35,5 Grad zu erreichen. Dies entspricht einer maximalen Umwandlung von 38,5 % der Windkraft in Drehbewegung. Um mit Flachblattwindmühlen die optimale Energieausbeute zu erzielen, sollten die Rotorblätter daher in einem Winkel von etwa 35,5 Grad zur Anströmrichtung geneigt sein.

Für diesen Schaufelwinkel war eine CFD-Analyse (Computational Fluid Dynamics) geplant, um die Druckverteilung und die Strömungseigenschaften der Luft beim Passieren der Schaufeln zu untersuchen. Leider ist die Lizenz für die CFD-Software Fluent abgelaufen. Das vernetzte Modell der Schaufelkonstruktion, erstellt mit dem Programm Gambit, ist unten beigefügt.

Die abgeschlossene CFD-Analyse wird veröffentlicht, sobald der Zugriff auf Fluent oder ein gleichwertiges Softwareprogramm möglich ist.

Regionale Gegebenheiten

Zielregionen für diese Technologie sind Gebiete, in denen die Bevölkerung nur eingeschränkten Zugang zu Werkzeugen und Materialien hat, wie beispielsweise Subsahara-Afrika. Darüber hinaus muss das Gebiet über ausreichend Windressourcen und Zugang zu bestimmten Schlüsselmaterialien verfügen. Zu diesen Materialien zählen viele technologisch hochentwickelte Komponenten wie Generatoren und Motoren. Diese können jedoch auch auf Schrottplätzen gefunden werden, sofern sie funktionsfähig sind und ihre grundlegenden Anforderungen erfüllen. Viele Menschen können sich diese Geräte zwar nicht leisten, doch es gibt zahlreiche defekte Autos und Haushaltsgeräte, die ausreichend wären.

Hinsichtlich der sozialen Auswirkungen ist der Zugang zu Elektrizität ein mächtiges Instrument, das Gemeinschaften aus der Armut befreien kann. Andererseits hat sich wiederholt gezeigt, dass er die wirtschaftliche Kluft verfestigt und vergrößert. Es ist daher wichtig, dass Energie mit Respekt behandelt wird und nicht dazu missbraucht wird, die Ärmsten der Armen weiter zu verarmen.

Materialien

Die folgende Liste enthält die grundlegenden Materialien, die zum Bau einer Windmühle benötigt werden, entweder selbst oder aus Restmaterialien. William Kamkwamba hat gezeigt, was möglich ist und damit Menschen weltweit inspiriert. Die Materialien, die er für den Bau seiner ersten Windmühle verwendete, sind unten aufgeführt: ^{[ 2 ]}

Wird die Windmühle gebaut und soll sie Strom speichern, dann werden auch folgende Materialien benötigt: ^{[ 3 ]}

• 12V-Tiefzyklusbatterien (falls der Benutzer elektrische Energie speichern möchte)
• Laderegler zur Steuerung des Ladezustands der Batterie
• DC/AC-Wandler
• Brückengleichrichter (um sicherzustellen, dass Strom in die Batterien fließt)

Werkzeuge

Wenn keine Einschränkungen hinsichtlich der verfügbaren Werkzeuge bestünden, wären Säge, Schraubendreher, Schrauben, Hammer, Nägel, Unterlegscheiben, Muttern und Schrauben, Wasserwaage und Marker hilfreich. Zusätzlich würden Elektroarbeiten durch eine Zange sowie Spannungs-, Strom- und Widerstandsmessgeräte erleichtert. In ländlichen Gebieten der Welt sind die Menschen jedoch gezwungen, mit den vorhandenen Ressourcen kreativer umzugehen. Hier einige Beispiele dafür: ^{[ 4 ]}

• Die flachen Klingen lassen sich herstellen, indem man ein PVC-Rohr der Länge nach mit einer Säge oder einem ähnlichen Gerät aufschneidet und es anschließend über dem Feuer erhitzt. Sobald es heiß ist, kann es zu einer langen, flachen Klinge geformt werden.
• Unterlegscheiben lassen sich herstellen, indem man Flaschenverschlüsse flach hämmert und anschließend ein Loch in die Mitte stanzt.

Unter diesen Umständen dienen Nägel, Steine, Feuer und Holz als Werkzeuge zum Bau der Windkraftanlage. Stahl oder Steine ​​können als Hämmer verwendet werden, Fahrradspeichen lassen sich an einem Stein entlangschaben, um eine ebene Kante zu erzeugen, und Plastiktüten können eingeschmolzen werden, um einen Griff für ein Ende zu formen. Außerdem lassen sich Bohrer herstellen, indem man einen Maiskolben als Griff und einen herausragenden Nagel verwendet. Der Nagel wird dann über offenem Feuer erhitzt, bis er rotglühend ist, und kann anschließend zum Durchbohren bestimmter Materialien verwendet werden.

Fähigkeiten und Kenntnisse

Um das Energiepotenzial von Windkraftanlagen optimal zu nutzen, ist es wichtig zu wissen, wie viel Wind an einem bestimmten Standort verfügbar ist. Die Beaufort-Skala gibt anhand verschiedener visueller Merkmale einen Hinweis auf die Windgeschwindigkeit. Diese Merkmale geben zwar Aufschluss über die Windgeschwindigkeit am Boden, doch mit zunehmender Höhe ist wahrscheinlich mehr Windenergie vorhanden. Dies liegt an der Grenzschicht, die sich an der Erdoberfläche bildet, sowie an verschiedenen Hindernissen am Boden, die die Windströmung beeinflussen. Die Beaufort-Skala ist unten dargestellt: ^{[ 5 ]}

Um eine vollständigere Liste der physischen Identifizierungsmerkmale zu erhalten, folgen Sie bitte diesem Link.

Um den erzeugten Strom für Anwendungen wie den Betrieb von Lampen, Radios oder das Laden von Batterien zu nutzen, ist es unerlässlich, die Grundlagen der Elektrotechnik zu verstehen, beispielsweise die benötigte Spannung und Stromstärke für das jeweilige Gerät. Eine Übersicht dieser Grundlagen finden Sie hier.

Technische Daten

William baute seine Windmühle anhand der unten abgebildeten Skizze. ^{[ 6 ]} Anschließend montierte er sie auf einem großen, von ihm aus Holz errichteten Turm. Die Maschine ist vom Konzept her recht einfach, wobei die größten Einschränkungen in den verfügbaren Materialien und dem begrenzten Zugang zu Werkzeugen lagen. Tests ergaben, dass eine vierflügelige Windmühle nach seinem Entwurf mehr Strom erzeugte als ein dreiflügeliges Modell. ^{[ 7 ]}

Kostenschätzung

William gab an, dass die Herstellung seiner Windmühle etwa 15 Dollar gekostet habe und der Fahrradgenerator am schwierigsten zu beschaffen gewesen sei. ^{[ 8 ]} Die Kosten für die verschiedenen Bauteile wurden anhand dessen geschätzt, was er kostenlos auf dem Schrottplatz oder von Verwandten erhalten 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