| Autor |
Nachricht |
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
 Nicki995 Verfasst am: 05. Dez 2022 16:54 Titel: Strom durch Luftstrom |
 |
|
Meine Frage:
Hallo allerseits!
hätte eine Frage, die wenn überhaupt nur ein Physiker beantworten könnte.
Zweck: Ich würde mir gerne eine grobe Vorstellung verschaffen, ob dadurch ein nennenswerter Stromertrag erzeugt werden könnte. Beispiel Handyakku 4000mah 3-x% aufladen.
Wie viel Strom ließe sich erzeugen, wenn man 1000 Liter Luft durch einen Schlauch (z.B. 2cm Durchmesser) pustet, dessen Ende an ein externes Objekt mit Stromerzeugungsmechanismus angeschlossen wird.
Dieses externe Objekt soll so aussehen, dass die gesamte Luft aus dem Schlauch nur einen Ausgang findet, wenn sie dafür zusätzlich eine Art "Wasserrad für Luft" antreibt. Die dadurch erzeugte Drehung des Rades soll einen kleinen Stromgenerator befeuern und in Z.B. Smartphone oder Powerbank abgeführt werden.
Gerne hätte ich die Frage konkreter gestellt und bei nicht zu großem Aufwand eine präzisere Antwort gewünscht, aber fürs Erste ist das die Frage.
Vielen Dank im Voraus.
Meine Ideen:
Von welchen Variablen hängt diese Frage grundsätzlich ab?
|
|
 |
Steffen Bühler
Moderator
Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7244
|
| Steffen Bühler Verfasst am: 07. Dez 2022 10:42 Titel: |
|
|
Willkommen im Physikerboard!
Im Grunde geht es ja um eine Windkraftanlage. Lies Dir mal diesen Thread durch, der sollte weiterhelfen.
Ich verschieb mal nach Mechanik, da sitzen die Experten.
Viele Grüße
Steffen
|
|
|
Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5866
Wohnort: jwd
|
| Mathefix Verfasst am: 07. Dez 2022 14:33 Titel: |
|
|
|
Die Berechnung hängt vomTyp des Windrads ab: Mit Flügeln axial angeströmt (Windkraftanlage)oder mit Schaufeln radial angeströmt(Peltonturbine) wobei die Form der Schaufeln eine Rolle spielt.
|
|
|
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
| Nicki995 Verfasst am: 08. Dez 2022 13:43 Titel: |
|
|
Hallo ihr beiden!
Danke für die Antworten.
Ich hoffe ich darf Steffen sagen. Steffen, danke für das Verschieben in die richtige Rubrik und für den Thread. Leider hat der Thread es mir nicht wirklich leichter gemacht. Ich kann diese Formel leider nicht anwenden und mir darunter auch nichts vorstellen. Ganz unten wurde mir aber gezeigt, dass es durchaus eine Menge Determinanten zu geben scheint, die das Ergebnis meiner Frage beeinflussen könnten.
Nun, ich wollte es zumindest fürs Erste nicht ganz exakt genau wissen.
Dachte es wäre evtl. möglich eine grobe Einschätzung zu erhalten, was in so einem Fall im Bereich des Möglichen wäre. Weil ich habe überhaupt keinen Schimmer was man damit an Strom gewinnen könnte. Lediglich das Brennen einer Glühbirne für 5 min, oder gar für 5+ Stunden? Oder könnte man diese Art des Antriebs generell als eher effizient oder ineffizient einstufen, wenn man es jetzt Beispielweise relativ mit anderen etablierten Stromgewinnungsanlagen vergleicht?
Mathefix, meine Vorstellung über dieses externe Objekt am Schlauchende würde eher dem (radial) Schaufel Windrad entsprechen. Die Luft soll aus dem Schlauch in das externe Gehäuse geführt werden, wo diese "Schaufeln/Windradblätter" sich anfangen zu drehen, weil der Luftdruck größer ist als ihr "Widerstand". Die Luft passiert nach dem Drücken einiger Schaufeln den Ausgang des externen Objekts.
Dieses externe Objekt stelle ich mir ein wenig wie eine klassische Trillerpfeife vor, bloß dass die Luft vor dem Austreten die Schaufeln des Windrads mit bis zu 100% Effizienz drücken muss. Also der komplette Luft-Input muss an dem Windrad vorbei, um zu entweichen.
Hoffe es wurde etwas klarer.
Wünsche allen einen angenehmen Tag!
|
|
|
Steffen Bühler
Moderator
Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7244
|
| Steffen Bühler Verfasst am: 08. Dez 2022 14:41 Titel: |
|
|
Natürlich bleibt es beim Duzen, das ist hier so üblich.
Ich nehme mal die genannte Formel
mit
Luftdichte 
Austrittsfläche des Schlauches ^2)
Angenommene Strömungsgeschwindigkeit 
Das ergibt dann etwa 0,1 Milliwatt. Um die Energie auszurechnen, musst Du herausfinden, wie lange diese Leistung zur Verfügung steht. Du willst 1000 Liter, also einen Kubikmeter durch den Schlauch schicken. Dieses Volumen durch die Austrittsfläche ergibt eine fiktive Schlauchlänge von 3183 Metern. Stell Dir vor, Du schiebst von der anderen Seite einen Kolben durch, dann hat der, wenn er durch ist, die 1000 Liter geschafft.
Nun soll das mit einem Meter pro Sekunde passieren, also dauert das Ganze 3183 Sekunden.
Damit hast Du eine Energie von 
So ein Handyakku hat 5V Spannung und 4Ah Ladung, das sind also 
Viel Hoffnung kann ich Dir also nicht machen.
|
|
|
Qubit
Anmeldungsdatum: 17.10.2019
Beiträge: 829
|
|
|
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
| Nicki995 Verfasst am: 08. Dez 2022 16:04 Titel: |
|
|
Deine vereinfachenden Ausführungen haben mir definitiv geholfen die Formel um einiges besser zu deuten und auch einen besseren Überblick zu erhalten. Erstmal danke dafür.
Allerdings ist das ein sehr enttäuschendes Ergebnis, auch wenn ich an der Richtigkeit der Rechnung an sich keinerlei Zweifel habe.
Wenn ich richtig erkennen kann, ist das nicht mal 1/1000 % von 4ah. Das wäre übertrieben ernüchternd.
Ich möchte aber an dieser Stelle nochmal eine bildliche Illustration einstellen, die hoffentlich ganz eindeutig macht, welche Art von Antrieb/Windrad ich meine.
Da die Formel wie ich vermute "nur?!" für die Bauart der Windräder, die wir draußen auf Feldern sehen können zutrifft? Also die typischen 3-Blättrigen 100 Meter hohen Windkraftanlagen. Könnte das sein? Das wäre aber nicht die Art Windrad die ich meinte.
| Beschreibung: |
|
Download |
| Dateiname: |
Veranschaulichung.png |
| Dateigröße: |
14.92 KB |
| Heruntergeladen: |
69 mal |
|
|
|
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
| Nicki995 Verfasst am: 08. Dez 2022 16:12 Titel: |
|
|
| Nicki995 hat Folgendes geschrieben: | Deine vereinfachenden Ausführungen haben mir definitiv geholfen die Formel um einiges besser zu deuten und auch einen besseren Überblick zu erhalten. Erstmal danke dafür.
Allerdings ist das ein sehr enttäuschendes Ergebnis, auch wenn ich an der Richtigkeit der Rechnung an sich keinerlei Zweifel habe.
Wenn ich richtig erkennen kann, ist das nicht mal 1/1000 % von 4ah. Das wäre übertrieben ernüchternd.
Ich möchte aber an dieser Stelle nochmal eine bildliche Illustration einstellen, die hoffentlich ganz eindeutig macht, welche Art von Antrieb/Windrad ich meine.
Da die Formel wie ich vermute "nur?!" für die Bauart der Windräder, die wir draußen auf Feldern sehen können zutrifft? Also die typischen 3-Blättrigen 100 Meter hohen Windkraftanlagen. Könnte das sein? Das wäre aber nicht die Art Windrad die ich meinte. |
Der Generator soll hauptsächlich außerhalb des Gehäuses liegen und die Anzahl der "Speichen"/Schaufeln können natürlich auch abweichen. Ich glaube ich habe bereits zu viele eingezeichnet.
|
|
|
DrStupid
Anmeldungsdatum: 07.10.2009
Beiträge: 5043
|
| DrStupid Verfasst am: 08. Dez 2022 16:42 Titel: |
|
|
| Nicki995 hat Folgendes geschrieben: | | Da die Formel wie ich vermute "nur?!" für die Bauart der Windräder, die wir draußen auf Feldern sehen können zutrifft? |
Das bestimmt nur den maximalen Wirkungsgrad nach dem Betzsche Gesetz. Das ist der Faktor 16/27. Gröer als 1 kann der nicht werden - egal wie das Windrad konstruiert ist.
|
|
|
Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5866
Wohnort: jwd
|
| Mathefix Verfasst am: 09. Dez 2022 11:04 Titel: |
|
|
Die skizzierte Turbine stellt im Prinzip eine Peltonturbine dar.
Bei einer luftgetriebenen Peltonturbine ist der Luftwiderstand der Schaufeln zu berücksichtigen.
Einflussgrössen wie z.Bsp. Dichteänderung, Reibungsverluste durch Verwirbelung ... sind nicht berücksichtigt.
Einfache Modellrechnung zur Abschätzung der theoretisch maximalen Leistung:
 = Kraft auf Schaufel
 = Anströmungsgeschwindigkeit der Luft
 = Umfangsgeschwindigkeit Schaufel
 = Dichte Luft
 = Querschnittsfläche Lufteintritt
 = Summe Querschnittsfläche aller Schaufeln
 = Faktor Luftwiderstand Schaufel
 = Luftwiderstandsbeiwert Schaufel
 = Volumenstromstrom Luft
 = Massenstrom Luft
 - k\cdot v^{2} )
 - k\cdot v^{3} )
 P = A_l\cdot \varrho \cdot (c^{2} \cdot v - c\cdot v^{2} )- k\cdot v^{3} )
 = \frac{A_l\cdot \varrho \cdot c}{3\cdot k} \cdot (\sqrt{4+\frac{9\cdot k}{3\cdot A_l\cdot \varrho } } -1))
 =\frac{2\cdot A_l\cdot c}{3\cdot A_s\cdot c_w} \cdot (\sqrt{4+ \frac{3\cdot A_s\cdot c_w}{2\cdot A_l} } -1))
in Glchg. (1) eingesetzt ergibt  als maximal theoretische Leistung.
PS
In der Betz'schen Formel zur Leistung eines Windrads wird der Luftwiderstand der Flügel nicht berücksichtigt.
|
|
|
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
| Nicki995 Verfasst am: 09. Dez 2022 15:34 Titel: |
|
|
| Mathefix hat Folgendes geschrieben: | Die skizzierte Turbine stellt im Prinzip eine Peltonturbine dar.
Bei einer luftgetriebenen Peltonturbine ist der Luftwiderstand der Schaufeln zu berücksichtigen.
Einflussgrössen wie z.Bsp. Dichteänderung, Reibungsverluste durch Verwirbelung ... sind nicht berücksichtigt.
Einfache Modellrechnung zur Abschätzung der theoretisch maximalen Leistung:
= Kraft auf Schaufel
= Anströmungsgeschwindigkeit der Luft
= Umfangsgeschwindigkeit Schaufel
= Dichte Luft
= Querschnittsfläche Lufteintritt
= Summe Querschnittsfläche aller Schaufeln
= Faktor Luftwiderstand Schaufel
= Luftwiderstandsbeiwert Schaufel
= Volumenstromstrom Luft
= Massenstrom Luft
in Glchg. (1) eingesetzt ergibt als maximal theoretische Leistung.
PS
In der Betz'schen Formel zur Leistung eines Windrads wird der Luftwiderstand der Flügel nicht berücksichtigt. |
Hallo,
oh... Das sieht vielversprechend aus. Ich verstehe eigentlich nur Bahnhof und weiß nicht was ich am Ende als Ergebnis habe, aber...
ich nehme mich der Herausforderung an, weil ich hoffe, ein besseres Ergebnis als weniger 1/1000 % zu bekommen 
Wenn ich scheitere, könnt ihr mir ja helfen, wenn ihr mögt... oder auch nicht.
Ich probiere die Formel auf ein fiktives Beispiel, aber nahe an meiner Ursprungsvorstellung anzuwenden.
Diese Peltonturbine soll in einem zylinderförmigen Gehäuse von 7cm Durchmesser und einer Höhe von 7cm sitzen.
Es sollen 8 Schaufeln sein mit den angenommenen Abmessungen von 3,5 x 7cm.
Der Schlauch, aus dem die Luft zugeführt wird, hat einen angenommenen Durchmesser von 2cm,
der in der Mitte der Höhe des Zylinders eine entsprechende Öffnung hat.
F=?
c= 20m/s (mit 20m/s trifft die Luft auf die Schaufel(n))
v= ? (Umfangsgeschwindigkeit = pi/60*70mm/1000*?rpm)
Q= 1,2 kg/m3
Al= pi*(0,01m)2 = 0,0314m2
As= 8*0,035x0,07 = 0,0196m2
k= 0,00498624 = 1/2*0,0196*1,2*0,424
cw= 0,424 (Widerstandskraft in [N] auf 2 geschätzt)
V. = ?
m. = ?
Wie man sieht bin ich nicht weit gekommen. Soll ich aufgeben?
War alles Unfug?
|
|
|
Steffen Bühler
Moderator
Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7244
|
| Steffen Bühler Verfasst am: 09. Dez 2022 16:48 Titel: |
|
|
Mathefix hat das wunderschön hergeleitet, vielen Dank dafür!
Die Zwischenschritte der Herleitung brauchst Du nur zum Verständnis, wie man auf diese drei Kernformeln kommt:
- k\cdot v^{3} )
)
Für den Luftwiderstandsbeiwert einer Halbkugelschale, die eine Peltonschaufel ja darstellt, wird hier der Wert 1,33 genannt.
Damit solltest Du die Leistung berechnen können.
|
|
|
Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5866
Wohnort: jwd
|
| Mathefix Verfasst am: 12. Dez 2022 12:39 Titel: |
|
|
Mit A_l= 0.000314 m², c_w = 2 (Rechteckplatte) und 4 Schaufeln im Luftein- und Austritt, die Luftwiderstand erzeugen
Am Lufteintritt theoretisch verfügbare Leistung
Wirkungsgrad
|
|
|
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
| Nicki995 Verfasst am: 17. Dez 2022 15:19 Titel: |
|
|
War ne Weile krank, allerdings war die Antwort bereits vor paar Tagen verfasst...
Steffen, dein Versuch es mir nochmals zu vereinfachen weiß ich zu schätzen und es hat in der Tat ein Stück weitergeholfen.
Hab danach ein wenig auf dem Taschenrechner rumgerechnet und bin dennoch zu keinem Schluss gekommen. Mal ein Syntax Error, Mal kamen Werte raus, mit denen ich nichts anfangen konnte.
Naja, es per Rechnung selbst nachzuvollziehen lasse ich bis auf weiteres außen vor...
Aber dafür habt ihr es ja im Überblick und sagt mir ein weiteres Mal, dass da sowieso kaum was bei rumspringt.
Bin etwas enttäuscht, dass man aus diesem Beispiel keinen nennenswerten Strom erzeugen kann.
Die Schaufeln würden sich ja voraussichtlich schon ziemlich gut drehen, aber was nützt es. Da ist wohl jede Dynamo Taschenlampe sinnvoller in der Verwertung.
Nur nochmal zum Verständnis. Mathefix, bei deiner letzten Ausführung hast du gesagt P_max = 0,24W. Das ist die maximal theoretische Leistung.
Worauf bezieht sich dieser Wert? Also 0,24W/"?" ?
P_theor hat neuerdings meine Aufmerksamkeit erregt . Wenn ich mit dieser Formel spiele, ist da sehr bedeutsam, ob 20 m/s, 25 m/s oder 40 m/s. Ich habe den Wert 20m/s als Beispiel angegeben. Wenn es aber z.B. 60m/s wären, dann scheint auch viel mehr möglich zu sein (auch wenn P_max nur ein kleiner Teil von P_theor ist).
|
|
|
Steffen Bühler
Moderator
Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7244
|
| Steffen Bühler Verfasst am: 17. Dez 2022 19:20 Titel: |
|
|
| Nicki995 hat Folgendes geschrieben: | P_max = 0,24W. Das ist die maximal theoretische Leistung.
Worauf bezieht sich dieser Wert? Also 0,24W/"?" ?. |
Auf nichts. Das ist einfach die Leistung, die kontinuierlich abgegeben wird. Wenn Du damit eine Stunde den Akku lädst, bekommt der also eine Energie von 0,24Wh=0,24VAh. Durch die Akkuspannung 5V geteilt, sind das 0,048Ah=48mAh. Um Deinen 4000mAh-Akku vollzukriegen, musst Du also über 80 Stunden warten.
| Nicki995 hat Folgendes geschrieben: | | Ich habe den Wert 20m/s als Beispiel angegeben. Wenn es aber z.B. 60m/s wären, dann scheint auch viel mehr möglich zu sein |
Ja, Du siehst ja, dass die Geschwindigkeit hoch drei genommen wird. Doppelte Geschwindigkeit ist also achtfache Leistung. Und dreifache Geschwindigkeit eben 27fache Leistung.
|
|
|
Nicki995
Anmeldungsdatum: 05.12.2022
Beiträge: 7
|
| Nicki995 Verfasst am: 19. Dez 2022 11:28 Titel: |
|
|
Ah ok. Ihr habt mir definitiv weitergeholfen.
Danke an alle für das mitwirken und dass Ihr mir mit Verständnis entgegengekommen seid.
Schöne Feiertage 
|
|
|
|
Registrieren
Login
FAQ
Suchen
