Windfahne
Die Windfahne dient in ihrer einfachsten Form der Windnachführung und als Ausgleichsgewicht für Rotor und Generator.
Idealerweise sollten alle Gewichte auf beiden Seiten des Drehgelenks am Mast genau austariert sein um zu verhindern, dass das Windrad bei Schräglage das Mastes seitlich wegpendelt und somit nicht mehr in die ideale Windrichtung zeigt. Insbesondere auf Booten ist das ganz entscheidend. Wer die Möglichkeit hat den Mast genau lotrecht einzustellen, muss sich hier keine großen Gedanken machen.
Die Fläche der Fahne sollte so groß sein, dass sich bei Schwachwind gerade noch die richtige Richtung einstellt und so klein, dass plötzliche Windrichtungsänderungen bei Sturm sanfter übertragen werden.
"Intelligente" Windfahne
Ein wesentlicher Faktor für eine lange Lebensdauer der Windanlage ist ihre Starkwind- und Sturmfestigkeit. Die meisten Microwindturbinen haben keine mechanische Sturmsicherung und bremsen den Rotor nur über den Generator durch Zuschaltung einer Heiz-Last oder durch Kurzschluss. Bei einem Ausfall des Reglers oder Kontaktproblemen, steht das Windrad ungeschützt im Sturm, ist schwer zu stoppen und wird zur unkontrollierbaren Gefahr. Aber auch wenn alles funktioniert , werden die elektrischen Komponenten sehr beansprucht und müssen überproportional stark dimensioniert werden, inklusiv komplizierterer Regler.
Was bei robusten Eisenkerngeneratoren aber noch einigermaßen gut funktioniert, ist bei Scheibengeneratoren aufgrund ihrer schlechteren Wärmeabfuhr jedoch problematisch, da sie leicht überhitzen, und die Magnete ihre Magnetisierung verlieren können.
Deshalb soll die hier konzipierte Microwindturbine mittels einer selbstregelnden Windfahne auf ein deutlich höheres Sicherheitsniveau gehoben werden, indem definierte Leistungsgrenzen nicht überschritten werden können und damit auch die elektronische Regelung deutlich einfacher und günstiger werden kann. Darüber hinaus kann der Generator auch bei Sturm immer noch seine Nennleistung erbringen, ohne ganz abschalten zu müssen.
Es gibt theoretisch sehr viele Möglichkeiten eine Windfahne zu konstruieren, die bei Sturm das Windrad aus dem Wind schwenkt um dessen Drehzahl zu begrenzen - z.B über eine zusätzliche Seitenfahne, Tragflächenprofile die seitliche Kräfte auslösen, Drehmechanismen usw.
Das grundsätzliche Problem besteht jedoch immer darin, dass gerade ein schnell drehender Rotor den Wind stark abbremst und damit seine Wirkung auf die dahinter liegende Windfahne vermindert, anstatt sie proportional zur Windgeschwindigkeit und Drehzahl zu erhöhen.
Die einzige solide Möglichkeit diesen Effekt zu kompensieren bzw. die Schubkräfte des Rotors zu nutzen, besteht in einer als Furling bezeichneten Kombination aus exzentrischer Drehachse und schwenkbarer Windfahne .
getesteter Prototyp mit Schwachstellen
Furlingsystem
Nach einigen Versuchen und vielen Überlegungen hat sich gezeigt, dass im Grunde nur ein Furlingsystem mit exzentrischer Drehachse alle Anforderungen an Böen-Effizienz und Sturmsicherung in idealer Weise erfüllen kann. Denn das Windrad soll nur dann aus dem Wind gedreht werden, wenn es schnell dreht und nicht schon in der Beschleunigungsphase während einer plötzlichen Böe.
Dahinter steckt folgendes Funktionsprinzip: die Kraft die senkrecht auf das Windrad wirkt (Winddruck) ist bei Stillstand des Rotors nur sehr gering (entsprechend der kleinen Rotorblattflächen). Bei hoher Drehzahl dagegen so groß, als wäre die durch die Flügel aufgespannte Kreisfläche eine geschlossene Scheibe. Diese drehzahlabhängige Schubkraft bewirkt aufgrund der exzentrischen Lage der Drehachse ein Drehmoment, das das Windrad seitlich aus dem Wind dreht. Die schwenkbare Windfahne wirkt diesem Drehmoment entgegen und hält den Rotor bis zu einer bestimmten Kraft solange im Wind, bis die Feder an der Windfahne nachgibt und die Fahne seitlich "einknickt". Der Rotor wird nun seitlich angeströmt und verliert solange an Drehzahl an damit auch an Schubkraft, bis die Rückstellkräfte schließlich größer als der Winddruck werden, die den Rotor wieder in seine Ausgangsposition zurückdrehen.
Bei plötzlich nachlassendem Wind wird der Rotor zudem leicht luvgierig und zieht sich zusammen mit der Feder schnell in seine normale Windposition zurück um sofort wieder beschleunigen zu können.
Dazu können Furling-Systeme im Extremfall bis zu 90° einschwenken und erreichen dadurch maximale Sturmsicherheit durch eine minimale Windangriffsfläche bei sehr langsamer Rotation.