Entwurf und Konstruktion einer vertikal laufenden Windturbine nach dem Widerstandsprinzip unter Nutzung der aerodynamischen Eigenschaften eines Flügelprofils

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Die umweltfreundlichen und geräuscharmen vertikalen Windenergieanlagen, die nach dem Widerstandsprinzip arbeiten, erzeugen ein hohes Drehmoment und sind windrichtungsunabhängig. Trotz dieser Vorteile haben sie niedrige Drehzahlen und ihre Gestalt ist massiv, so dass sie in der Höhe nicht für große Produktionen eingesetzt werden können. Gerade diese Nachteile haben es bis jetzt verhindert, dass solche Anlagen für die Stromproduktion weitläufig eingesetzt werden. Durch diese Arbeit wurden zuerst die Funktionen von Vertikalanlagen, insbesondere die Rotation um die Vertikalachse, untersucht. Die Kräfte, die durch Wind gewonnen werden können, wurden in der Beziehung mit der Windgeschwindigkeit und daraus resultierender Umdrehungsgeschwindigkeit beobachtet. Es wurde festgestellt, dass sich die Flügel, wenn sie sich in der Windrichtung bewegen, an der Erzeugung des Drehmoments beteiligen, und wenn sie sich gegen den Wind bewegen, als Bremse wirken und einen negativen Einfluss auf die resultierenden Drehmomente haben. Mit Hilfe einer Direkt-Kupplung von einem Vielpol-Vertikal-Permanentmagnet-Synchrongenerator konnte trotz niedriger Drehzahlen ein dreiphasiger Strom produziert werden. Der Einsatz des Generators im Turm und der Ausfall von schwerem Getriebe sowie eine neue Rotorkonstruktion ermöglichen den Einsatz der Anlage in der Höhe. Basierend auf den Informationen wurde eine vertikale Windenergieanlage nach dem Widerstandsprinzip entworfen, konstruiert und realisiert, die drei frei um die Verbindungsachse drehende Flügelpaare besitzt, die um 120° gegeneinander versetzt eingesetzt sind. Die frei beweglichen Flügel haben eine NACA-Profilform und wegen ihres aerodynamischen Charakters erzeugen sie im Bremszustand die geringsten Widerstände. Dagegen können sie, wenn sie senkrecht in der fördernden Position zum Wind stehen, beachtliche Drehmomente erzeugen. Die drei Flügelpaare bewirken eine gleichförmige Rotation der Vertikalwelle. Die Entwicklung von Formeln für die Pendelbewegungen des Flügelpaares um die Verbindungsachse und die Rotation des gesamten Rotors um die Vertikalachse haben geholfen, die Parameter, die bei der Energiegewinnung eine Rolle spielen, zu ermitteln und ihre Änderungen zu beurteilen. Es wurde ebenfalls untersucht, wie die Funktion der Anlage verbessert werden könnte. Die Pendelbewegungen der frei beweglichen Flügelpaare, die durch Wind eingestellt werden, wurden mit Hilfe der Verschiebung des Flügeldrehpunktes optimiert. Außerdem wurde untersucht, welche Wirkung die Dicke des Flügelprofils auf die Rotation um die Verbindungsachse erzielt. Des Weiteren wurde ein Prüfstand aufgebaut und das Drehmoment des Generators durch Drehmomentaufnehmer am Prüfstand getrennt aufgenommen und seine Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie gezeichnet. Die mechanische Leistung des Rotors wurde durch einige Parameter wie Windgeschwindigkeit, Drehzahl, Widerstandsbeiwert, Pendelwinkel und Rotationswinkel bestimmt. Die Leistung des Generators wurde im Windkanal durch Vermessung der Spannungen und Ströme der Verbraucher-Widerstände, die an seinem Ausgang angeschlossen sind, ermittelt. Der resultierende Wirkungsgrad scheint mit dem Einsatz dieses neuen Konzepts im Vergleich zu anderen Vertikalanlagen gering zu sein. Er könnte durch die Auswahl dünnerer Profile und den Einsatz geeigneter Generatoren, wie noch gezeigt wird, verbessert werden.