Hallo Andreas,
Im Prinzip hast du fast alles richtig verstanden. Die Auslegung einer Batterieladeanlage hat immer irgendwie etwas von schwarzer Magie. ENtweder es klappt, oder es klappt nicht richtig oder es klappt sogar ganz prima...
Vieles ist hier jedoch nicht wirklich berechenbar und selbst wenne s das irgendiwe wäre würde die Praxis hundertprozentig anders aussehen.
Du hast es richtig erkannt, die Leistungskurve des Rotors ist eine Parabel, die des Generators quasi linear, also eine Gerade. Die Rotorleistungskurve die man dabei betrachtet ist dargestellt als Optimalkurve. Das Heißt sie spiegelt die Leistung dar, die der Rotor bei seinem Wirkungsgradoptimum hat. Dieses Optimum ist dann erreicht, wenn dem Rotor genau die Menge an Leistung abgenommen wird die er aus dem vorhandenen Wind auch liefern kann. Dabei hat er dann auch eine optimale Drehzahl bei der die Rotorblätter genau richtig angeströmt werden. Dieses Verhältnis von Rotordrehzahl zur aktuellen Geschwindigkeit des Windes ist die Schnelllaufzahl. Ist der Rotor also beispielsweise auf eine SLZ von 7 ausgelegt, so bewegen sich die Flügelspitzen mit der 7 fachen Geschwindigkeit wie der Wind und haben dabei ihren amximalen Auftrieb /Wirkungsgrad.
Soweit so gut. Mit Netzwechselrichtern kann man dieses Verhältnis nun sehr gut steuern. Man kann ihnen Kennlinien vorgeben so dass sie bei einer bestimmten Spannung (welche ja immer linear zur Drehzahl ist) dem Rotor eine ganz bestimmte Leistung abfordern, so dass dieser immer optimal belastet und angeströmt wird, so dass der Rotor immer bei optimaler Auslegungsschnelllaufzahl und somit mit optimalem Wirkungsgrad läuft. Zusätzlich kann zudem die Spannung mit ansteigen so dass die Verluste bei Netzeinspeisung wesentlich kleiner sind denn diese errechnen sich aus dem Produkt vom Quadrat des Stromes und dem WIderstand des Generators.
Bei Batterieladung ist es nun anders. Die Batteriespannung schwankt nur recht wenig, Bei eiuner 12 V batterie beispielsweise zwiwchen 11 und 14 V. Nehmen wir diese Spannung also einfach mal als konstant an. EIn Leistungsanstieg kann somit also nur über den Anstieg des Stromes erfolgen. Daraus ergeben sich zum einen sehr viel höhere Wärmeverluste im Generator, weshalb Batterieladesysteme einen kleineren Widerstand haben müssen, zum anderen ist es aber auch kaum möglich, Generatorleistung und Rotorleistung anzupassen.....
...kommen wir zurück zu der Leistungskurve die du auch im Amiforum gesehen hast:
ich mache mal eine einfach Skizze, ist nur per Hand in Painbt und daher etwas krickelig aber ich denke zum Verständnis reicht es hoffentlich
Wie steil die Gerade Leistungslinie des Generators ist, hängt davon ab wie groß sein Widerstand ist. Hat der Generator quasi keinen WIderstand, so würde sich eine Vertikale Linie ergeben, ist er unendlich groß, wäre die Linie Horizontal. Bei uns ergibt sich irgendwas dazwischen.
Wenn man nun keine hochintelligente LAdeelektronik entwickelt, ergeben sich 3 mögliche Zustände.
Fall 1: (linker graph)
Der Ladebeginn wird sehr früh angesetzt, beispielsweise auf 2 m/s im Tool.
Erstmal freuen wir uns denn unser WIndrad beginnt schon sehr früh mit dem Laden und das sogar noch unter dem berechneten Wert denn bevor der Generator die Batteriespannung erreicht, wird dem Rotor noch keine Leistung abgenommen und er dreht quasi im Leerlauf. Das bedeutet dass er sich wesentlich schneller dreht als unter Last. Seine Schnelllaufzahl steigt also an. Abhängig von der Profilform ist dieses Verhalten untershciedlich ausgeprägt. EIn Profil Goe222 beispielsweise mit AuslegungsSLZ 6 dreht im Leerlauf mit etwa SLZ 9-10. Unser Ladebeginn rutscht also runter auf etwa 1 m/s. Nachdem nun der erste STrom an die Batterie fließt und der Rotor belkastet wird, sinkt die SLZ nun wieder relativ schnell ab, hat bei kleinen Lasten dann vielleicht nur noch 7 und letztlich gibt es einen Punkt an dem sie wieder an ihrem Auslegungswert ist. Das ist in der Zeichnung der Schnittpunkt von Generatorkennlinie und Rotorkennlinie. Diesen Punkt haben wir ja nun imaginär auf 2 m/s festgelegt. Das ist auch der Wert mit dem das Generatortool rechnet. Den optimalen Wirkungsgrad der ANlage haben wir also dann bei vielleicht 2-2,5 m/s. Bei mehr Wind passiert nun folgendes:
Die SLZ des Rotors sinkt relativ schnell ab da der Generator ihm mehr Leistung abfordert als er liefern kann. >Dadurch sinkt sein Wirkungsgrad schnell ab, wodurch er noch mehr überfordert wird. Irgendwann kommt es zu einem Punkt, an dem die Profile des Rotors so falsch angeströmt werden dass die Strömung komplett abreißt. Das nennt sich dann STALL. EIn weiterer Anstieg der Windgeschwindigkeit hat nun keine Leistungssteigerung mehr zur Folge. Das kann je nach Profil und UAlegung ggf. schon bei 6-7 m/s der Fall sein und man wird sich wundern warum das tolle WIndrad mit dem niedrigen LAdebeginn oben rum nichts bringt.....
Fall 3: (ganz rechts)
Auch dies ist keine gute Wahl. Die Generatorkennlinie liegt permanent unter der Rotorkennlinie. Der Rotor dreht also dauerhaft schneller als er es eigentlich soll und zwar immer stärker mit zunehmendem Wind. Das Resultat ist wie auch bei Fall 1 sehr schlöechte Ausbeute. Zusätzlich macht der bRotor viel Kraft und dreht sehr viel schenller als er es sollte, so dass Furlingsicherungen versagen (durch Kreiselkräfte) und auch der Ladebeginn sehr spät einsetzt.
Wir versuchen daher irgendwie in Richtung Fall 2 zu kommen : (Mitte)
Wir legen den Ladebeginn beispielsweise auf 3,7 m/s fest. Das klingt erstmal sehr viel, ist es aber nicht wirklcih denn:
Der Rotor wird vorerst im Leerlauf drehen bis der erste Strom an die Batterie fließt. Die SLZ des Rotors wird dann von etwa 10 auf vielleicht 8 absinken. Hier wird nun auch wirklcih die erste Leistung in die Batterie geschoben. Haben wir also im Tool mit 3,7 m/s und der Auslegungs SLZ von 6 gerechnet, so stellt sich in der Praxis der reale Ladebegihn bei etwa 2,7 m/s ein. Das klingt doch schonmalk ganz anders. Zwar haben wir hier aufgrund der etwas zu hohen SLZ einen geringeren Wirkungsgrad des Rotors aber wen stört das schon. Ob meine ANlage von 2 m Durchmesser bei 2,7- 3 m/s nun 5 Watt oder 3 Watt liefert....es ist quasi nichts!!!
Der optimale Betriebspunkt der ANlage, bei dem die SLZ des Rotor durch die steil steigende Generatorkennlinie auf das optimum absinkt, liegt nun vielleicht im Bereich zwischen 4 und 6 m/s.
In diesem windgeschwindigkeitsbereich ist nun auch schon Leistung im WInd vorhanden. Das Bissl was man bei sehr kleinen WIndgewschwindigkleiten verliert holt man nhier nun dicke wieder heraus.
Auch der Bereich des Stalls verschiebt sich nun deutlich nach oben. Zwar wird auch in diesem Fall die SLZ ab dem UAlegungspunkt abfallen, der eigentlich Stall tritt aber vielleicht erst bei 10 m/s auf, wenn überhaupt so deutlich denn die Leistung des WIndes nimmt ja stark zu so dass er auch wieder abnehmen kann so dass es zu einem zweiten schnuitt in der Kennlinie kommt wie man es in Zeichnung 1 sieht.
Das wollen wir aber vermeiden. Wir wollen keine gute ANpassung bei Sturm. Wir wollen dass die STurmsicherung dann einsetzt, wenn der Rotor noch im Stallbereich ist und nicht wenn er beriets wieder schneller dreht als er soll und davonrennt und die ANlage unkontrollierbar und unbremsbar macht.
Mit der Auslegung auf eine etwas höhere WIndgeschwindigkeit errerichen wir also dennoch einen relativ niedrigen Ladebeginn, haben bei sehr wenig Wnd einen kleineren WIrkungsgrad was nichts ausmacht da doirt eh kaum was zu holen ist. Im Mittleren WIndfeld haben wir dann sehr guten WIrkungsgrad und können viel Leistungsplus herausholen. Bei mäßigem bis viel WInd ist der Rotor noch nicht im Stall und wir können auch diese WIndgeschwindigkeiten gut nutzen und hohe Spitzenleistungen erreichen. Zudem läuft die ANlage sicherer, leiser und ist auch durch die noch funktioneirende Sturmsicheung beherschbar!
NUn ist es nicht ganz leicht, heir ein Gleichgewicht zu finden. Dasnist der Punkt an dem man sich auf Erfahrungswerte beziehen muss. Deshalb finde ich die Leistungsberechnung im Tool auch irreführend und verwende sie nie da die Praxis ohnehin was anderes erbringt und Faktoren wie Stall nicht mit einbezogen werden- das wäre auch zu kompley.
Weiterhin hängt das Verhalten des Rotors vom Verwendeten Profil ab- da gibt bes deutlich Unterschiede- auch wieder Erfahrungssache.
Letztlich spilen auch Ladezustand der Batterie und die Größe Der Akkubank eine Rolle, ebenso wie Länge und Querschnitt der Leitungen vom Generator zur Batterie.
Ich will das jetzt icht zu sehr verwirrend machen....
EIn Punkt ist jedoch der Widerstand des Generators, darauf möchte ich kurz noch eingehen.
Prinzipiell möchte man den Generatorwiderstand so klein wie möglich halten um die Wärmeverluste in ihm möglichst klein 7zu halten denn diese errechnen sich aus STrom zum Quadraht mal Innenwiderstand.
Es gibt eine Grenze wieviel ein Stator bestimmter Größe abkann- auch das sind wieder Erfahrungswerte...
Ein Generator mit mehr widerstand kann mit dünnerem Draht und platzsparender gebaut werden (bei gleicher Windungszahl). Allerdings muss man dann auch die STurmsicherung früher einstellen um ihn nicht zu überhitzen. Bei kleinen Leistungen ergibt sich kaum ein Unterschied. EIn geringer Widerstand ist also prinzipiell gut für den Generator und den Wirkungsgrad.
Ich erwähnte bereits dass ein sehr nbiedriger Widerstand aber den ANtieg der Generatorleistungskurve beieinflusst, diese also steiler macht.
Es kann daher vorkommen, dass der Rotor dadurch zu früh in Stall geht.
Dem kann man nun entgegenwirken indem man an anderer Stelle zusätzlichen WIderstand schafft. EIne Möglichkeit ist es, einen kleinen Widerstand in die Zuleitung zur Batterie zu legen oder eben einfach das Kabel selbst im Querschnitt etwas dünner zu wählen. Dadurch verlagert man dann die Hitzeentwicklung an einen anderen Ort, weg vom Generator der dann auch sehr große Leistungen abgeben kann.
Damit und über die Regulierung des Luftspaltes bei einem Scheibengenerator kann man auch nachträglich das Laufverhalten der Anlage beeinflussen wenn man feststellt dass sie zu früh stallt.
Mit etwas Erfahrung im Bau von Generatoren kann man das ganze aber auch schon im Vorfeld recht geschickt auslegen so dass Nachbesserungen unwarscheinlicher sind. Hier fängt die eigentliche Kunst an
Und das geht dann wirklich nur über Erfahrungswerte!
Ich habe viele Erfahrungen auf dem gebiet gesammelt und gestalte daher nach bestem Wissen und Gewissen Bausätze zum nachbauen bei denen ich mir sicher bin dass sie gut laufen.
Wer nur auf den kleinsten Ladebeginn auch bei käuflichen Anlagen achtet, sollte stets im Hinterkopf behalten was das bedeutet und wo demnach die Schwachstellen liegen.
Es gibt keine Alleskönnerbatterieladeanlage. Wer unten rum stark ist, ist im Mittelfeld mäßig und bei Starkwind grauenvoll, Anlagen für Starkwind haben bei Starkwind ihre Vorteile und solche die ab 3 m/s effektiv laden sind Allrounder wie ich sie auslege und beschrieben habe.
Wer nun der Meinung ist er müsse sich freuen dass seine ANlage schon bei 1,5 m/s das erste bedeutungslose Watt in die Batterie drückt darf sich dann auch nicht ärgern wenn es bei 5 m/s nur 100 statt 250 Watt sind...
Wer aber nur WInde unter 3 m/s hat, der muss einfach auch einsehen dass Windkraft in seiner Gegend eben ungeeignet ist und lieber auf Solar umsteigen effektiver wäre...oder sich eben über die paar Watt freuen und bei Starkwind über den egringen Ertrag ärgern und das doofe DIng verluchen.
Aber das ist wie gesagt alles bezogen auf batterieladewindräder, bei Netzeispeisung ergibt sich ein ganz anderes Bild. Dort kann man auch für sehr wenig WInd schon sinnvoll auslegen und dennoch über einen weiten Bereich sehr gute Wirkungsgrade erzielen....
Ich hoffe das hat so einige Sachen klarstellen können Andreas...
Falls nicht, dann frage einfach nochmalk gezielt nach
Gruß
Max
