TECHNIK IM DETAIL

Inhalt:

Helix-Windturbine Wind of Change
Höhe ohne Mast: 2100mm,
Durchmesser: 1400 mm

Oben: Die Natur als
Vorbild: Die Helix-
Struktur der Windturbine!

Unten: Funktionsschema
des durchströmbaren
vertikalen Savonius-
Rotors

Innovative Technik. Durchdacht und erprobt!

In umfangreichen Windkanalversuchen und numerischen Strömungsberechnungen wurde eine vertikale Kleinwindenergieanlage (Langsamläufer) in Ultra-Leichtbauweise mit höchstmöglichen Wirkungsgraden auf der Basis des bekannten Savonius-Rotors weiterentwickelt und optimiert.

Wir entwickelten, berechneten und optimierten über Monate hinweg diese innovative Rotorform, die eine höhere Ausbeute des heranströmenden Windes ermöglicht. Die neue Windturbine folgt zwar der klassischen Savonius-Idee, verfügt aber über eine innovative Rotorgeometrie, der dank intelligenter Strömungsführung störende Druckdifferenzen, Strömungsabrisse und Verwirbelungen vermeidet. Die Windturbine Wind of Change mit ihrer charakteristischen Helixform hat in komplexen 3D-Strömungsanalysen aus der Luft- und Raumfahrttechnik eine Leistungssteigerung von mehr als 28 Prozent gegenüber konventionellen vertikalen Widerstandsläufern nachgewiesen.

Ultra-Leichtbau-Rotor aus modernen Hochleistungsverbundwerkstoffen, bestehend aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten waagerechten Linsenscheiben, zwischen denen zwei oder mehr halbkreisförmige gebogene Schaufeln senkrecht stehend montiert sind.

Die Schaufeln sind gegeneinander versetzt angeordnet, so dass ein Teil des Windes
von den rechts und links zur Strömung offenen Schaufelseiten umgeleitet wird und auf die Rückseite einer der dort konkaven Schaufeln einwirken kann. Die Wirkungsweise beruht sowohl auf aerodynamischem Auftrieb als auch auf widerstandsbedingtem Vortrieb.

Mit der vertikalen Achse (VAWT: Vertical Axis Wind Turbine) ist die Funktion unabhängig von der Windrichtung gegeben.

Durch den spiralförmigen Aufbau der Helix-Struktur, findet der Wind während der Rotation auch bei Turbulenzen bei jedem Winkel eine Angriffsfläche. Die Form der Helix hat die Natur zum Vorbild (Bionik) und entspricht den menschlichen DNA-Strukturen. Pro Quadratmeter überstrichene Rotorfläche können 210 W bis 280 W elektrische Leistung erzeugt werden.

3KW-Turbine

Helix-Windturbine Wind of
Change mit 4200 mm
Bauhöhe und 3 KW Leistung

Video: Strömungsmechanische Berechnungen und Analysen über die Strömungsgeschwindigkeiten im Savonius-Rotor.

Video: Strömungsmechanische Berechnungen und Analysen über die Druckverläufe im Savonius-Rotor.

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Hoher Wirkungsgrad, schon bei wenig Wind!

Herausragende Merkmale der HELIX Windturbine WIND OF CHANGE.

Die entwickelten Vertikalachsen-Helix-Rotoren haben gegenüber konventionellen Systemen mit horizontalen Achsen folgende Vorteile:

Der Wind wird permanent aus allen Richtungen aufgenommen, ohne dass eine Windnachführung benötigt wird
Hohe Ausbringung auch bei geringem Wind ab 2,8 m/s (10 km/h) Windgeschwindigkeit
Starke Windböen werden problemlos ‚geschluckt’, aufwändige verstellbare Rotorblätter entfallen
Auch bei Sturm muss die Anlage nicht stillgelegt werden (andere Anlagen werden bei 24 m/s – 27 m/s gestoppt)
Ausdauernde, ununterbrochene Ausbringung bei starkem Wind.
Die Anlage ist robust, zeigt kaum Verschleiß, ist wartungsfrei und auch betriebskostengünstig, der mechanische Aufbau ist nicht komplex
Einsatz von Permanentmagnetgeneratoren mit langer Lebensdauer und niedriger Drehzahl
Hohe Betriebszeiten
Nahezu geräuschfreier Betrieb
Es gibt keinen dynamischen Schattenwurf, wie er von horizontalen Windrädern bekannt ist.
Äußerst geringes Start-Drehmoment und damit gute elektromechanische Umsetzung der Bewegungsenergie
Es sind keine besonderen Fundamente notwendig, eine einfache Abspannung genügt in den meisten Fällen. Einfache Installation als Boden-, Dach- und Wandmontage
Der Einsatz modernster Faserverbundwerkstoffe ermöglicht eine ultraleichtgewichtige Bauweise bei höchster Festigkeit sowie UV-Beständigkeit und damit hohe Wirkungsgrade
Modulare und hochflexible Bauweise (Gleichteil-Baukasten-Prinzip). Einzelne Komponenten können jederzeit ausgetauscht werden. Eine Leistungserhöhung durch Nachrüstung ist jederzeit möglich
Der spiralförmige Aufbau (Helix-Struktur) bietet dem Wind zu jeder Zeit und bei jedem Winkel der Rotation eine ausreichende Angriffsfläche
Hochmoderne, rationelle und kostengünstige Fertigung
Leistungsoptimierung mittels modernster Leistungselektronik
Gleichförmige Drehbewegung
Keine mechanischen Verluste, da das System ohne Getriebe arbeitet (direkte Kraftübertragung)
Äußerst profitabel durch geringe Anschaffungskosten, einfache Installation und wartungsfreien Betrieb mit nahezu uneingeschränkter Lebenssdauer
Sehr guter aerodynamischer Wirkungsgrad
Überragender optischer Effekt
Kann als Werbeträger genutzt werden

Flachdachmontage
Helix-Windturbine Wind of Change installiert auf einem Bürogebäude

Kaum Geräuschentwicklung!

Unsere HELIX Windturbine WIND OF CHANGE ist eine sehr leise arbeitende Einheit.
Ziel unserer Geräuschuntersuchungen war, die vom Generator und der Helix-Windturbine ausgelöste Geräuschbelastung in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit für Personen zu ermitteln, die in unmittelbarer Umgebung leben oder arbeiten.
Bei mehr als 10 m/s Windgeschwindigkeit konnte kein aussagefähiger Wert ermittelt werden, da die Umgebungsgeräusche lauter waren als die Helix-Windturbine.

km/h	m/s	Generator dB	dBin 1 mDistanz	dBin 5 mDistanz	dBin 10mDistanz
3,60	1	0	0	0	0
7,20	2	0	0	0	0
10,80	3	0	0	0	0
14,40	4	0	0	0	0
18,00	5	0	0	0	0
21,30	6	10	0	0	0
25,20	7	16	0	0	0
28,80	8	22	12	0	0
32,40	9	30	16	0	0
36,00	10	38	21	15	0
43,20	12	46	26	20	0
50,40	14	49	31	24	0
57,60	16	50	37	29	0
64,80	18	54	42	34	0

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Typenliste und Technische Daten.

Technische Daten der HELIX Windturbinen WIND OF CHANGE.

Nr.	Bezeichnung	Merkmale		Bemerkungen
		Wind of Change 1400	Wind of Change3500
1	Anwendung	Eigenheime	Gewerbe
2	Rotordurchmesser	1750 mm	1750 mm
3	Bauhöhe	2450 mm	4650 mm	Modular einstellbar
4	Windlastfläche	5,6 m²	11,2 m²	Modular einstellbar
5	Helix-Fläche	Helix 0-45° erweiterbar auf 180 °		Modular aufgebaut
6	Start-Windgeschwindigkeit	1,4 m/s	1,4 m/s
7	Erste Leistungsabgabe	2,8 m/s	2,8 m/s
8	Nenn-Windgeschwindigkeit	7-9 m/s	7-9 m/s
9	Nenndrehzahl	100 U/min	100 U/min
10	Nennleistung	1 kW	3 kW	Abhängig von Generator, Bauhöhe, Durchmesser
11	Nennleistung bei	12 m/s Windgeschwindigkeit		Abhängig von Generator, Bauhöhe, Durchmesser
12	Maximale Leistung	1,4 kW	3,5 kW	Abhängig von Generator, Bauhöhe, Durchmesser
13	Abschaltung bei	keine	Keine	Max. 50 m/s
14	Windrichtungsnachführung	Nachführung nicht notwendig, Windrichtungsunabhängig
15	Bauart Antrieb	Direkter Antrieb ohne Getriebe, keine mechanischen Verluste
16	Turbinen-Gewicht	98 kg	210 kg
17	Generatortyp	Permanentmagnet-3-Phasen-Wechselstromgenerator, Direktantrieb, Schutzart IP 54
18	Arbeitstemperatur	- 35 °C bis + 80 °C
19	Einsatz Stromversorgung	Spannungswahl 12 VDC, 24 VDC, 230 V AC 50 Hz, Schutzklasse IP33
20	Einsatz Netzeinspeisung	Netzaufschaltung mit Wechselrichter
21	Lärm-Emission	Natürliche Windgeräusche, keine Eigengeräusche
22	Windgenerator-Optik	Als Werbefläche geeignet, Windturbinen-Farbe nach Wunsch

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Modernste Leistungselektronik:
HELIX Windturbine WIND OF CHANGE.

Die Firmen Grass Power Electronics GmbH, ib prozessleittechnik GmbH und die Hochschule Nürnberg haben speziell für die Helix-Windturbine Wind of Change eine Leistungselektronik entwickelt, die das optimale Zusammenspiel von Windkraft, Drehzahl und Stromeinspeisung steuert. Ein spezieller Niederdrehzahl-Generator wurde im unteren Linsenkörper der KWEA-Anlage integriert, um einen direkten Kraftschluss von der Windturbine zum Generator herzustellen.

Der für die HELIX Windturbine WIND OF CHANGE neu entwickelte Stromrichter wandelt die durch eine Kleinwindenergieanlage erzeugte Energie so, dass diese in das Verbrauchernetz eingespeist werden kann. Der durch den ebenfalls neu entwickelten Generator erzeugte Strom, wird zunächst 3-phasig mit 400 VAC in den Stromrichter eingespeist. Der vorgeschaltete Generatorstromrichter wechselt den Strom zunächst in 600 VDC, welche in einem Spannungs-Zwischenkreis fließen. Die im Zwischenkreis angelegte Spannung von 600 VDC wird im Netzstromrichter auf 400 VAC / 50 Hz / 16 A gerichtet und kann so 3 – phasig in das Verbrauchernetz eingespeist werden.

Kommunikationsschnittstellen ermöglichen die Anbindung und eine Übertragung der Daten an PCs via Ethernet und einen Fernzugriff über das Internet auf die Anlage.

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Übersichtsplan des Stromrichters:

Produktspezifikationen

Die mit Sicherheit intelligente Leistungselektronik.
Im normalen USE-Case wandelt unsere Leistungselektronik den Strom so, dass er im Anschluss entweder in das Hausnetz oder in das öffentliche Verbrauchernetz eingespeist werden kann.

In Fehlerfällen agiert die Leistungselektronik intelligent:

Sollte die maximale Drehzahl des Generators überschritten werden, wird durch das System automatisch ein Lastwiderstand (Heizpatrone) aktiviert und bremst den Generator inklusive der Helix-Windturbine langsam bis auf die Nenndrehzahl ab.
Sollte das Haus- oder das öffentliche Netz überbelastet werden, reagiert die Netzüberwachung und stellt sicher, dass weder Netz noch Anlage beschädigt werden.
Sollte in beide Netze keine Einspeisung möglich sein, so koppelt sich die Leistungselektronik aus. Der Generator dreht frei. Es wird zwar Spannung induziert, jedoch kann es zu keinem Stromfluss kommen. Da kein Strom fließt, wird der Generator nicht belastet. Der Generator läuft somit im Leerlauf. Drehzahl und Spannung werden beide durch die Leistungselektronik überwacht. Sollte es zu einer zu hohen Drehzahl kommen und/oder eine zu hohe Spannung im Generator erzeugt werden, dann wird die Heizpatrone aktiviert.
Sollte es zu einem totalen Netzausfall kommen, und die Leistungselektronik ist ohne Netzversorgung, wird die Heizpatrone aktiviert bzw. bleibt so lange aktiv, bis die Leistungselektronik wieder am Netz hängt.
Erzeugt der Generator mehr Leistung als vom Netz abgenommen werden kann, reagiert die Elektronik auch hier. Die überschüssige Energie wird in das andere Netz abgeführt.
Beispiel: Der Generator erzeugt 600 W, das Hausnetz bezieht aber nur 200 W. In diesem Fall werden die überschüssigen 400 W in das öffentliche Verbrauchernetz abgeführt. Sollte es zu einer Netzüberlastung kommen, reagiert die Netzüberwachung.

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Anschluss eines Windsensors:

Der Anschluss eines Windsensors ist möglich. Es bestehen zwei Optionen, den Windsensor analog anzuschließen:

DSP Controller Board
Communication Board

Das DSP Controller Board besitzt noch zwei freie Stromeingänge. Diese sind auf einen Pegel von ±20 mA ausgelegt. Durch eine kleine Operationsverstärkerschaltung am Eingang kann der Pegel angepasst werden. Das Kommunikationsboard hat einen Eingangspegel von 0–1,8V. Hier kann durch eine Schaltung der Pegel auf z.B. 0 – 10 V ausgelegt werden. Der Windsensor müsste also einen analogen Ausgang besitzen. Alternativ könnte dieser auch über einen Bus (RS232, RS485, CAN) angeschlossen werden.

Betrieb mit einem Akku:

Die Leistungselektronik ermöglicht zwei bekannte Optionen:

Abführen der DC – Spannung aus dem Zwischenkreis. Ermöglicht wird dies durch einen Anschluss der Batterie und des Ladereglers an den Zwischenkreis sowie einer Softwareadaption. Laderegler und Batteriemanagementsystem (BMS) muss der Endverbraucher/ Kunde zur Verfügung stellen. Der Laderegler benötigt in diesem Fall dann einen 600 VDC Eingang.
Einspeisung in das Netz und Laden der Batterie mit 230 VAC oder Anschluss der Batterie oder des Akkus an ein 400 VAC Netz. Laderegler und (BMS) muss der Endverbraucher/ Kunde zur Verfügung stellen.