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Das Auftriebsprinzip Für die Konversion der kinetischen Energie des Windes können das Widerstandsprinzip und das Auftriebsprinzip genutzt werden. Der Wind, mit einer Geschwindigkeit v, übt auf eine zu seiner Richtung querstehende Fläche A eine Kraft F aus: F = c g A v2 / 2g (g = Wichte der Luft). Der Winddruck erzeugt einen aerodynamischen Widerstand der Flächen oder Schaufeln. Der Widerstandskoeffizient c ist auch unter der Bezeichnung cW-Wert bekannt. Er hängt von der Flächengestaltung ab, z.B.: konkave Halbkugel c = 1,33; konvexe Halbkugel c = 0,33. Die Funktion des Schalenkreuzanemometers, das für die Messung der Windstärke eingesetzt wird, basiert auf dem Widerstandsprinzip und nutzt unterschiedliche cW-Werte zur Rotation. Zu diesem Zweck werden vier Halbkugeln an waagerechte Hebelarme befestigt (s. Bild unten). Der vertikalachsige Savonius-Rotor nutzt ebenfalls das Widerstandsprinzip. Aber solche Roto- ren haben einen relativ geringen Wirkungsgrad (ca. 30 %), und außerdem ist die Größe ihrer Angriffsfläche entscheidend für die erzielbare Leistung. Deshalb wird heute bei modernen Horizontalachsenrotoren das Auftriebsprinzip angewendet. Die Welle wird in Windrichtung gedreht, und die Luftströmung um die Flügeln erzeugt einen Auftrieb wie bei einer Tragfläche, wodurch der Rotor in Drehung versetzt wird (s. Bild unten). Das Flügelprofil hat an seiner Oberseite (1) eine viel größere Länge als an der Unterseite (2). Dadurch entsteht an der Oberseite eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit: V1 > V2. Wenn wir den Höhenunterschied h1 - h2 in der Bernoulli-Gleichung vernachlässigen: V12 / 2 + P1 = V22 / 2 + P2 , dann resultiert dass der aerostatische Druck P2 auf der Unter- seite höher ist als P1 auf der Oberseite. Daraus ergibt sich die Auftriebskraft F. The Buoyancy Principle For the conversion of the kinetic energy of the wind there can be used the principle of resis- tance and the buoyancy principle. The wind with a speed v is acting on a surface A, which is situated perpendicularly to its di- recttion, with the force F: F = c g A v2 / 2g (g = specific gravity of the air). The wind pressure produces an aerodynamic resistance of the surfaces or the rotor blades. The coefficient of resistance (air drag coefficient) is also known as cd-value. It depends on the configuration of the surface, e.g.: concave hemisphere c = 1.33; convex hemisphere c = 0.33. The function of the cup-anemometer, which is employed to measure the wind strength, bases on the resistance principle und uses differing cd-values for the rotation (see the picture below). For this purpose four hemispherical cups are mounted on the outer ends of horizontal arms. The vertical-axis Savonius-Rotor uses as well the principle of resistance. But such rotors have a relatively low efficiency coefficient (ca. 30 %). Moreover the achievable power depends on the size of the pressure-surface. Therefore at the advanced Horizontal-Axis-Rotors is applied today the buoyancy principle. The shaft is oriented downwind, and the air flow around the profiled rotor blades produces a buoyancy like at an airplane wing, which sets the rotor in rotation (see the picture below). The wing profile has at the upper side (1) a much greater length than at its underside (2). Thereby appears at the upper side a heightened flow speed of the air: V1 > V2. If we neglect in the Bernoulli-Equation the level difference h1 - h2 : V12 / 2 + P1 = V22 / 2 + P2 , then results that the aerostatic pressure P2 on the underside is higher than P1 on the upper side. There from originates the lifting force F. |
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