10kW - 5m Anlage

Hallo liebe Gemeinde,

ich bin einfach fasziniert von der Windenergie!!

Ich bin gerade dabei, mir zu überlegen, wie ich eine WKA mit ca. 10kW Spitzenleistung und 5m Durchmesser machen könnte.
Als Generator würde ich einen Asynchronmotor mit eben 10kW nehmen, und den "direkt" an das Netz anschließen (natürlich mit gesteuertem Netzschalter).

Ich wüde eine Pitchregelung machen, die per Schrittmotor und Elektronik angesteuert wird. Eben in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und Leistung. Sturmsicherung wird dadurch auch gewährleistet.
In Sachen Elektronik kenn ich mich recht gut aus, jedoch möchte ich auf den Selbstbau eines 3-Phasen Wchselrichters für die Genannte Leistung wirklich verzichten, darum eben der Asynchrongenerator.


Der Rotor würde aus 3 Holzflügeln bestehen. Dieser macht mir zur Zeit noch das größte Kopfzerbrechen. Woher bekomme ich ein Profil für 2,5m lange Flügel? Ich meine nur den Plan dafür. Die Flügel dann aus einem Stück Leimholz zu schnitzen traue ich mir schon zu. Ich würde die Flügel ungewunden - also gerade - ausführen.
Woher weiß ich, mit welcher maximalen Drehzahl das Rad drehen darf/kann?? Bei welcher Windgeschwindigkeit soll die Maximalleistung erreicht sein? 16m/s, 20 oder gar 25m/s??? Theoretisch, bei 20% Wirkungsgrad, wüden 10,5kW bei 16m/s erreicht werden. Woher weiß ich, mit welchem Wirkungsgrad ich rechnen soll?

Lässt sich ein Windrad dieser Größe noch mit Nachstellflosse Drehen, oder braucht es schon eine elektrische Nachführung? Bei einer nicht-elektrischen Nachführung kann es ja zum völligen Verdrehen der Stromkabel kommen. Wodurch wird den das bei Kleinwindkraftanlagen verhindert?


Sehr viele und essentielle Fragen eines Elektronikers, der sein eigenes Windrad bauen möchte....

Vielen Dank schon mal an alle.

liebe Grüße, griffin27

Hallo Günter und Gemeinde,

also praktische Erfahrungen habe ich leider nicht. Darum habe ich ja noch so viele Fragen.

Ein Seminar für Selbstbauer würde ich sehr begrüßen.

Bei dem Motor dachte ich, wie schon geschrieben an einen 4-, evt. 6-poligen Asynchronmotor mit einer Nennleistung von ca. 11-13kVA. Also eine Synchrondrehzahl von 1500 oder 1000 RPM.

Der Standort der Anlage ist im Innland, also jenseits der Küste.
Die 10kW hab ich mal so angenommen. 5m Durchmesser hab ich für mich als Grenze festgelegt. Dadurch ergibt sich eben 10kW bei 16m/s. Ich dachte mir, dass ich bei einem leichten Sturm auch noch Energie aus dem Wind nehmen möchte. Ist vielleicht eh eine schlechte Idee. Die 10kW hätte ich ja als Spitzenleistung angesetzt, und nicht als die Nennleistung.

Das Ausregeln der unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten sollte eben mit der Pitchregelung realisiert werden. Weiters könnte ich mir auch ein ein Schwungrad, das kurzfristige (Zehn bis Hunderte ms Bereich) Windböhen schluckt vorstellen.
Durch die Pitchregelung ist ja eine "fixe" Drehzahl des Rotors erreichbar.

Eine Lektüre zu dem Thema besitze ich noch nicht. Gibts da sehr gute zu empfehlen mit technischen und evt. auch mathematischen Details?

Mein Ziel ist eigentlich nur, dass ich den "eigenen" Strombedarf von ca. 5000kWh produziere. Muss ja keine Profitanalge werden.

Kann eigentlich ein normaler Stromzähler "Rückwärtsstrom" zählen, sodass der Zählerstand am Anfang und am Ende des Jahres ca. der gleiche ist?

liebe Grüße,
Karl

Wie gesagt, Steuer- und Regelungstechnik ist kein Problem. D.h. das Zu- und Wegschalten von dem Generator an das Netz ist eine relativ "einfache" Aufgabe.

Die Pitchregelung per Mechanik zu machen, erscheint mir schwieriger, als mit per Elektronik mit Stellmotor.
Ich wüsste zB nicht, wie ich folgendes mit einer Mechanik lösen sollte:
Windstille: Flügel stehen recht steil zB 45° zum Wind (Anlaufhilfe)
Nennwindgeschwindigkeit: Flügel stehen am flachesten, zB 80° zum Wind
Sturm: Flügel drehen sich völlig aus dem Wind, 0° zum Wind

Insgesamt ergibt das eine recht komplexe Regelungskurve, die per Microcontroller recht einfach zu lösen wäre.

Das ganze in kleinerem Maßstab zu "probieren" macht für mich nicht wirklich Sinn, da ich ja auch am großen Rad herumexperimentieren kann. Außerdem habe ich somit sofort die realistischen Bedienungen. Bei einem kleineren Windrad würde alles schneller Laufen und unhandlicher sein. Deswegen gleich der 5m Rotor.

Apropos: mit welcher Drehzahl kann ich bei solch einem Rotor rechnen?

liebe Grüße, Karl

Günter,
Ich glaub, dass ich mir bezüglich der Flügel noch entsprechende Literatur besorgen muss. Denn woher weiß ich, welche Schnelllaufzahl ich verwenden soll/will. Woher bekomme ich das entsprechende Flügelprofil. Dafür gibts doch sicherlich entsprechende Berechnungsprogramme.

Die Flügel sollen sich, meiner Vorstellung nach, mit annähernd konstanter Geschwindigkeit drehen, und das über einen weiten Windgeschwindigkeitsbereich. Das soll eben durch die Pitchregelung möglich werden.

Generator:
Ich hab mir das so vorgestellt:
Der "Drehzahlregler" mit Aktuator Pitch, bekommt als Sollwert die Nenndrehzahl von 1500 RPM. Wenn dies Erreicht ist, und über längere Zeit (zB 5s) konstant gehalten werden kann, so wird der Motor/Generator ans Netz geschaltet. Falls der Generator schon Spannung liefert, muss natürlich noch auf die Phase geachtet werden, aber bei einem Kurzschlussläufer ohne Kondensatoren sollte dies nicht der Fall sein, da der Käfig ja einen Variablen Phasenwinkel hat.
Die Phase als Motorbetrieb wird durch die Nenndrehzahl (es gibt keinen Schlupf) tunlichst vermieden.

Anschließend wird nach Leistung geregelt ebenfalls mit Aktuator Pitch. D.h. bei einer bestimmten Drehzahl darf dann nur das Drehmoment variieren. Die Pitchregelung sollte natürlich relativ flott sein.

Sollte die Drehzahl nicht haltbar sein, wird der Generator wieder vom Netz genommen, damit er nicht als Motor arbeitet.

Ich denke ein Drehzahlbereich von 1500 RPM bis +30% ist etwas weit gegriffen, kommt aber dann auf den Motor/Generator darauf an. Ich denke eher an max. 10% Schlupf.

Kann ein normaler Stromzähler eigentlich auch rückwärts zählen?

liebe Grüße, Karl

Hallo Günter,

da hast du ja eine sehr schöne Homepage und natürlich ein wunderschönes Windrad. Gefällt mir wirklich gut.

Also: So wie ich das ja machen möchte, mit quasi fixer Drehzahl, hat die Anlage natürlich keine fixe Schnelllaufzahl. Die muss und wird auch variieren.

Nun muss ich dich aber nocheinmal fragen, wo du dieses Flügelprofil her hast. Hast du dir das selber errechnet?
Von den doch recht kleinen Bildern kann man auf dem Profilplan nicht mehr viel erkennen. Kannst du mir da eine größere Version von dem Plan schicken, wo evt. auch jedes Profil einzeln vollständig gezeichnet ist?

Ich stelle mir das so vor. Ich drucke mir für, ich sag mal alle 30cm, den profilquerschnitt aus und schneide eine Negativvorlage aus. Dann rasple ich dieses Profil an den angegebenen radien in den Rohling, und verschleife/verhoble den Rest.

Du empfiehlst also auch eine gewundene Flügelform. Auf ohterpower.com legen die auf die Verwindung keinen Wert. Aber mit siehts sowieso schöner aus.

Kann das mit der Pitchregelung so funktionieren, wie ich es beschrieben habe (ca. konstante Drehzahl, variablers Drehmoment je nach Windstärke)?

liebe Grüße, Karl

Hallo miteinander,

@ Karl


Nein, dies Profil habe ich übernommen aus verschiedenen Beiträgen, die
ich im otherpower forum gefunden habe. Ausschlaggebend für mich war
ein Report der Sandia National Laboratories aus California, die im Auftrag
der amerikanischen Regierung eine Untersuchung über die Verbesserung
der Flügel Herstellung für Windräder (Blade Manufacturing Improvment
report) durchgeführt hat.
Da sich alle guten Profile in etwa geglichen haben, habe ich diese Art des
Profils und der Flügelform für mich übernommen.



Hier hast Du eine maßstäbliche Darstellung, die Du auf die gesamte
Flügellänge anwenden kannst. Heute würde ich den Bereich der Nabe
(Root) nicht ganz auslaufen lassen, sondern abrunden und etwas
verjüngen. (Besser für die Geräuschentwicklung). Ebenfalls an den
Flügelspitzen die in den Wind eintretende Kante noch mehr abrunden bzw.
abflachen.
Die Zeichnungen auf meiner website dienen hauptsächlich zur Ansicht,
wie die Positionen entlang des Flügels in die geleimten Plattenstreifen
passen. (ich brauch ja genügend überstehendes Fleisch zum Bearbeiten)
Ich hab mir zuletzt einfach mit einem Zeichenprogramm alles um ca.30%
aufgezogen und bemaßen lassen ( von meinen 1,20m auf 1,80m), deshalb
erscheinen hier so krumme Werte im Zehntel- und Hundertsel Bereich.
Die können natürlich vernachlässigt werden.

Bevor Du jetzt loslegst, mußt Du Dir erst mal über die Flügelgröße klar
werden. Du kannst nicht einfach sagen, ich möchte eine bestimmte
Leistung erreichen aber meine Flügel beschränke ich auf 5m Durchmesser.
Ausschlaggebend für die vom Wind eingebrachte Leistung sind
"swept area" also die von den Flügeln bestrichene Kreisfläche und die
Windstärke. Wie Du aus dem Beitrag von Strawberry entnehmen kannst,
hatte die von ihm mitgebaute Anlage 8,6m Durchmesser.


Auf Grund der Übersetzung von 1:15 für 1000U/min und 1:17 für
1500U/min ergeben sich 66 U/min bzw. 88 U/min der Flügel. Diese
Umdrehungen sind den Langsamläufern zuzuordnen. Die brauchen
aber, um solche Leistungen zu drehen wieder ein großes Drehmoment.
Das heißt, Du brauchst hier breitere Flügel oder mehr Flügel, hierzu kann
Strawberry vielleicht mehr berichten.
Meine Flügel sind für ihre Größe eher als Schnellläufer ausgelegt, sie
bringen bei ca. 320 -350U/min eine Leistung zwischen 600 und 800 Watt.
Mehr hab ich noch nicht riskiert, meine Mühle geht mit Helicoptersicherung
aus dem Wind.

Du müßtest also zunächst klären, für welche Leistung bei welcher
Windstärke Du Deinen Generator auslegen willst.

Danach wieviel U/min Dein Generator dann hat, für die angestrebte
Leistung abhängig von Polpaarzahl und Bauart.

Wenn Du dann die erforderliche Übersetzung festlegst, mußt Du
entscheiden ob Du einen Langsamläufer baust (Breite, bzw. mehrere
Flügel die dann hohes Drehmoment aber wenig U/min haben),

oder eine mittlere Geschwindigkeit, die dann mittlere Flügel mit mittlerem
Drehmoment erfordern, dafür aber mehr U/min bringen. Dies wierum
hängt direkt mit Deiner gewählten Übersetzung zusammen.

Ein reiner Schnellläufer ist für Deine Pläne eher nicht geeignet (Dies ist
zumindest meine Meinung)

Du kannst natürlich die breiteren Flügel mit dem von mir verwendeten
Profil bauen, nur eben breiter und deshalb auch etwas stärker.

Noch etwas zu den verwundenen Flügeln: man macht das nicht wegen des
schöneren Aussehens , sondern um der jeweiligen Windstärke eine
optimale Angriffsfläche zu bieten.
Die stärkere Winkelung und der breitere Flügel an der Nabe bietet die
gute Angriffsfläche zum Anlaufen.

Die schmale fast parallel zum Wind laufende Flügelspitze bietet bei
Starkwind weniger Luftwiderstand bei gleichzeitig wesentlich höherer
Umlaufgeschwindigkeit als die langsamere nah am Drehpunkt liegende
breite Flügelfläche.

Gruß
Günter
Westerwald

Hallo miteinander,

@Karl

also dieser P-Pitch Regler würde von der Arbeitsweise auch eher meinen
Vorstellungen entsprechen, aber eben nur aus dieser Sicht.

Diese Art der Lagerung für die Flügelachsen bzw. die Länge der Führung
erscheint mir für Deine angedachte Flügelgröße nicht ausreichend
belastbar.

So etwas ist glaube ich eher für kleinere Anlagen geeignet. Wenn Du
mit entsprechender Übersetzung arbeitest und vielleicht nur 70 bis 90
U/min für Deine Flügel brauchst, dann befürchte ich wird die Fliehkraft
für die Flügelverstellung nicht viel hergeben. Du mußt dann ja schon bei
diesen Drehzahlen eine Regelung vornehmen um die Drehzahlen dann
in diesem Bereich zu halten. 70U/min sind wenn Du die
Flügelgeschwindigkeit im Bereich direkt an der Nabe beobachtest, nicht
sehr schnell.



Das hängt doch von Deinem verwendeten Motor Generator ab, wenn der
z.B. eine so schwergängige Lagerung hat, daß Du sie nur schwer von
Hand durchgedreht kriegst (bei einem 11KW Motor gar nicht so abwegig,
ich habe nämlich so ein 8KW Monstrum im Keller, allein der Turmaufbau,
der ein solches Gewicht tragen muß!) dann brauchst Du schon immer so
5m/s zum Anlaufen mit Deiner angedachten Flügelgröße und zwar ohne
Last. Der Wirkungsgrad hängt ja auch von der mögliche Magnetisierung
des Läufers ab, Du mußt Eisenverluste einkalkulieren usw. Mir erscheinen
Deine 20% durchaus realistisch.



Die Schnelllaufzahl hängt von dem Widerstand ab, den die Flügel dem
"Fahrtwind" entgegensetzen. Länger, breiter, dicker, oben, unten, das
Verhältnis Root zu Tip spielt hier zwar auch eine Rolle, aber alles andere
auch!
Solltest Du Deine pitch-Regelung bauen, schick mal ein paar Bilder. Ich
habe so etwas auch für den Winter auf dem Plan stehen.


Gruß
Günter
Westerwald

Hallo,

Es gab nur ein Getriebe. Der 11 KW Motor hatte eine durchgehende Welle. Dort wurde der 3 KW Motor angekoppelt. Beide Motoren laufen also immer mit.
Bis etwas 6m/s ist der kleine am Netz, danach der "Dicke", aber bei höherer Drehzahl des Rotors.

Ich habe damals leider nur bei den gröberen Arbeiten des Mühlenbaus geholfen (Gittermasten, Fundamente, Abspannung, Kabelgraben, Flügelherstellung aus GFK). Es war mein Einstieg in die Materie .
Über die feineren Details der Anlage bin ich nicht so im Bilde gewesen.

Leider gibt es die WEA nicht mehr, sie wurde demontiert weil die Frau des Betreiber sich vom Betriebsgeräusch gestört fühlte.

Die Vereinigung wurde auch aufgelöst sodass es schwer bis unmöglich ist an weitere Details heranzukommen... schade .

Zu den Flügeln kann ich noch folgendes sagen:
Länge 4000 mm
Breite max 650 mm
Breite min 300 mm
Flügelflansch 270 mm im Durchmesser
Gewicht 59 kg
Befestigung mit 12 Stück 12mm Stahlschrauben

Eines ist aber sicher, deine Idee mit dem Asynchronmotor funktioniert auf jeden Fall, unsere Anlage hat es bereits 1993 bewiesen .

mfG

Strawberry

Moin,und herzliche gruesse:solch schmalen Flügel sehen ja aus wie von einem Segelflugzeug:Und DAS wäre AUCH GUT:bei verwendung von Profilen die das leistungs mindernd wirkende umschlagen der Strömung auf der profil Oberseite vom ersten drittel der Tiefe weit nach hinten verlagern:Die Strömung bleibt länger laminar:der Widerstand sinkt,leistung der Energie wandlung steigt!Bei den neueren Profi-Windanlagen sieht man schon beispiele-so weit ich davon gelernt habe ein Bereich der nicht leicht zu berechnen ist.Auch müsste die re zahl beim Windradfluegel von der Wurzel bis ganz aussen STARK Differieren.cerco

Hallo Allerseits,

bei meinen Ausführungen bezüglich den Proportionen hat sich ein Fehler eingeschlichen. Ich meinte Flügelspitzenbreite zu Flüglelänge = 20.

Da ich nun 0,5m vom Radius für Befestigung und Nabe gerechnet habe, ergibt sich eine Wurzelbreite von 255mm und eine Spitzenbreite von 100mm.

Bezüglich des CP Wertes: ich habe irgendwo im Netzt gelesen, dass ein Maximum dieses Wertes nicht unbedingt das Ziel ist. Anscheinend dürfte dieser Wert ein Kompromiss zwischen Anlaufgeschwindigkeit und maximaler Leistung sein. Irgendso zumindest, wenn ich es noch richtig in Erinnerung habe.

lg, griffin27