Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7659
Main Title: Entwurf und Konstruktion einer vertikal laufenden Windturbine nach dem Widerstandsprinzip unter Nutzung der aerodynamischen Eigenschaften eines Flügelprofils
Translated Title: Design and construction of a vertical wind turbine according to the drag principle using the aerodynamic properties of an airfoil
Author(s): Sarmadi, Mohammad-Ali
Advisor(s): Gühmann, Clemens
Referee(s): Schäfer, Uwe
Thamsen, Paul-Uwe
Ritschel, Uwe
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: 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.
The environmentally-friendly and Low-noise vertical axis wind turbines (VAWTs) which work based on the Drag Force, have the advantages such as producing a good torque and independency of wind direction and do not need to track the wind. Despite these advantages, they suffer from low rotational speed and huge massive shape, so they cannot be installed in high altitudes for large scale productions. These disadvantages made them have a small share in electrical energy production. Through this work, technical performance of vertical axis wind turbines, especially rotation around the vertical axis, was first examined. Then the forces which can be obtained from wind were observed compared to the wind speed and the resulting rotational speed. It was noted that the wings, when moving in the same direction with wind, participate in torque generation and when moving in the opposite direction of wind, make a brake and reduce the resulting torque. In spite of low rotational speed of VAWT, a three-phase current could be produced by direct coupling of a vertically multipolar permanent magnet synchronous generator. Establishment and using the system in suitable height could be feasible by placing the generator in the tower, new rotor construction and eliminating heavy gearbox. According to the above mentioned information, a vertical axis wind turbine has been de-signed, constructed and implemented based on the Drag Force. The turbine has three pairs of wings rotating freely around the connecting axis, which are inserted offset by 120° and each pair consists of two orthogonal blades. The free-flowing wings have NACA-profile shape and because of their aerodynamic character, they produce minimum resistance in braking condition. On the other hand, when they reach to the state of torque producing position, they can produce considerable torque. The three pairs of wings cause a uniform rotation of the vertical shaft. The developed formulas for describing pendulum motion of wing pairs around the connecting axis and rotation of the entire rotor around the vertical axis have helped to find the parameters that play role in energy generation and to assess their changes. It was also investigated which device functions could be improved and for this purpose, pendulum motion of the free-moving pairs of wings, which are adjusted by wind, has been optimized with the help of displacing the wings rotation points. The effect of thickness of the wings on their rotation was also investigated. Furthermore, a test rig was built and torque of the generator was recorded separately by means of a dynamometer and its torque versus shaft revolutions curve was plotted. The output mechanical power of the rotor was obtained via some parameters such as wind speed, rotational speed, Drag coefficient, pendulum angle and rotational angle. The power of the connected generator which was tested in the wind tunnel has been obtained by measuring the voltages and currents of the load resistors connected to generator Terminal. In compared to other vertical wind turbine systems, the resulting efficiency of the new concept seems to be lower. It could be improved by selecting thinner profiles and using suitable generators, as will be seen.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de//handle/11303/8513
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-7659
Exam Date: 2-Nov-2018
Issue Date: 2018
Date Available: 19-Dec-2018
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften
Subject(s): vertikale Windenergieanlage
Widerstandsläufer
Flügelkonstruktion
Stromerzeugung
vertical wind turbine
NACA airfoil
NACA-Profil
blade design
drag turbines
electricity generation
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Series: Elektrische Energietechnik an der TU Berlin
Series Number: 7
EISSN: 2367-377X
ISBN: 978-3-7983-3044-3
Notes: Gedruckt erschienen im Universitätsverlag der TU Berlin, ISBN 978-3-7983-3043-6 (ISSN 2367-3761).
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