Projekt Darrieus H-Rotor

Ich habe mir ursrpünglich einen H-Rotor mit Savonius als Anlaufhilfe gebaut. Den Savonius habe ich später, als ich keine Anlaufprobleme hatte, komplett entfernt. Die Flügellänge der ersten Version [automatisch zensiert] 50 cm und die Flügelbreite ca 15 cm. Der Rotordurchmesser beträgt etwa 80 cm. Diese Maße haben aber nicht die nötigen Drehzahlen gebracht, was auch am Flügelprofil gelegen haben mag. Deswegen arbeite ich jetzt an einem anderen Rotor mit 80cm langen Flügeln und einem Durchmesser von 60cm. Mein Ziel war es, dieses Windrad zu bauen ohne schweißen oder fräsen zu müssen.
Ursprünglich dachte ich, dass sich Kugellager für Inlineskates hervorragend für ein Projekt dieser Größe eignen. Im Laufe der Zeit hat sich aber herausgestellt, dass eine deutlich dickere Achse notwendig ist, um ausreichende Stabilität zu bieten.
Als Achse bieten sich M20 Gewindestangen aus Stahl an, wie man sie in jedem Baumarkt findet. Sie passen perfekt in entsprechende Kugellager und mit Unterleg-/Karosseriescheiben und selbstsichernden Muttern lassen sich alle nötigen Befestigungen einfach bewerkstelligen. Es gibt auch Stahlstangen ohne Gewinde. Die sind aber meist so gefertigt, dass man die Kugellager nur mit viel Mühe aufziehen kann. Gleiches gilt für Messingstangen. Alustangen sind zu weich und verbiegen leicht, was für Unwucht sorgt.

Wenn jemand so verrückt ist, diese Projekt nachzubauen, freue ich mich natürlich über Erfahrungsberichte und Verbesserungsvorschläge. Natürlich darf man mir auch Tipps geben, ohne vorher das Werkzeug geschwungen zu haben.

Der Rotor
Materialliste

• 2x Kugellager (innen 20mm außen ?mm)
  
• 1x Gewindestange M20 1000mm
  
• Multiplex-Holzplatte
  
• ...

Werkzeugliste

• Stichsäge
  
• Stichsägeblatt für Holz
  
• (Stand-)Bohrmaschine
  
• Tischkreissäge (optional)
  
• Dremel/Proxxon (optional)
  
• 13er Schraubenschlüssel
  
• 10er Schraubenschlüssel
  
• Kreuzschlitzschraubendreher
  
• Hammer
  
• Forstner Bohrer ?mm
  
• Exzenterschleifer/Sandpapier
  
• ...

Die erste Version
http://de.youtube.com/watch?v=9Uvkb8j1w8c
Durch den großen Savonius "eiert" der ganze Rotor.

Verbesserter Savonius:
http://de.youtube.com/watch?v=zLL0EnmV8IE
Die drei versetzen Savoniusse sorgen für ein deutlich gleichmäßigeres Drehverhalten

Flache Seite der Flügel nach außen:
http://de.youtube.com/watch?v=OprM8a0zbkI
Der Umbau der flachen Seite des Flügelprofils nach außen hat zwar rein subjektiv eine Verbesserung erbracht, dennoch bemühe ich mich momentan um den Bau von symmetrischen NACA 0018 Profilen.

Jetzt dreht er auch besser:
http://www.youtube.com/watch?v=unepzoT-eXM
Bei dieser Drehzahl erzeugt der Generator eine Spannung von 7V und einen Strom vom 5mA, was einer Leistung von 35mW entspricht. Dieses mieserable Verhalten schiebe ich einfach mal auf die mangelhafte Anpassung von Last (1,5kOhm) und Generator (vermutlich wenige Ohm).

Noch mehr Wind
http://www.youtube.com/watch?v=Y7gb5Te9Res
Das sind etwa 100 Upm

Version II mit NACA0018-Profil:
http://www.youtube.com/watch?v=Zil1aMmJ1S4

Die Flügel
Die erste Version meiner Flügel hat ein selbst ausgedachtes asymmetrisches Profil, das ich so in mehreren Quellen gesehen habe. Mehrere Quellen deuten aber darauf hin, dass ein symmetrisches Profil, zumindest für H-Rotoren mit verstellbaren Flügeln, am besten geeignet ist:

Hier wird ein NACA0018 verwendet
http://cyclocopter.snu.ac.kr/paper/SPIE2006.pdf (NACA0018) "Efficiency Improvement of a New Vertical Axis Wind Turbine by Individual Active Control of Blade Motion"

Dieser Bericht verlässt sich mit dem NACA0021 ebendfalls auf ein symmetisches Profil
http://www.ewec2007proceedings…lpaper.pdf "Experimental results from a 12 kW vertical axis wind turbine with a direct driven PM synchronous generator"

Dieser Bericht nutzt auch ein symmetrisches NACA 63 018 (nicht zu verwechseln mit NACA 6318)
http://www.me.columbia.edu/sen…report.pdf "MECE E3410.001 ENGINEERING DESIGN FINAL DESIGN REPORT"

Andere Quellen gehen davon aus, dass die Form des symmetrischen Profils für starre Flügel um den Rotationskreis "gebogen" werden muss:
http://club.cycom.co.uk/vertAxis.html
http://www4.gu.edu.au:8080/adt…index.html "Evaluation of self-starting vertical axis wind turbines for stand-alone applications" Brian Kinloch Kirk April 1998

Prinzipiell gillt: Je dicker das Profil ist, desto leichter läuft der Rotor an, desto höher ist aber auch der Luftwiderstand, was für eine niedrigere Drehzahl sorgt. Ich habe mich für ein NACA0018 Profil entschieden, das anscheinend meistens verwendet wird. Ich habe zunächst ein symmetrisches Profil gewählt, weil sich das einfacher herstellen lässt. Es gibt Programme zur Berechnung von NACA-Profilen im Internet. Inzwischen tendiere ich eher zu einem Profil, dass in Richtung NACA5522 geht. Interessante Profile sind auch die aus der Göttinger GOE-Reihe. Hier kann man unterschiedliche Profile miteinander vergleichen: http://www.worldofkrauss.com/foils/compare .
Ich möchte meine neuen Flügel um 15° zur Vertikalachse geneigt anbringen, wodurch ich mir ein besseres Anlaufverhalten erhoffe. Durch diese Schrägstellung wird das Profil in Laufrichtung etwas gestreckt, was es wohl eher zu einem NACA0017 Profil werden lässt.

Zur Fertigung bieten sich mehrere Verfahren an:

1: Herstellung der Flügel aus Glasfaser-verstärktem Kunststoff (GFK) oder Kohlefaser.
2: Mehrerer Profile aus einer Latte schneiden und so aneinander leimen, dass sich ein Flügel ergibt. Der Flügel besteht nun aus mehreren Scheiben vergleichbar mit einem aufgeschittenen Laib Brot. Der so geleimte Flügel muss unbedingt stabilisiert werden, da er sonst durch die Fliehkräfte auseinander bricht.
3: Ähnlich wie bei einem Flugzeugflügel eine Grundkonstruktion aus Holz und Gewindestangen fertigen und das Ergebnis dann mit dünnem Aluminiumblech ummanteln. Aus Kostengründen kann man auch dünnes Walzblech nehmen.
4: Flügel aus einem Stück Holz schleifen. Dabei mit einer Lehre immer wieder die Form überprüfen. Hier bietet sich vor allem Sperrholz an, da man sich anhand der Maserung, die durch die verleimten Schichten entsteht, gut orientieren kann.
5: Flügel mit Kreissäge und Winkelschleifer aus einem Stück Holz herausarbeiten.

Version 1 würde ich zunächst einmal ausschließen. Ich denke nämlich, dass es vielen so geht wie mir und sie weder die entsprechende Erfahrung, noch das nötige Material für diese Fertigunsform haben.
Mein erster Versuch war Version 2. Dabei dienten mir Gewindestangen, auf die ich die einzelnen Flügelteile aufsteckte. Diese Vorgehensweise stellte sich schnell als sehr mühsam heraus und ich ging schnell zu Version 3 über.
Zunächst hielt ich diese Version für am besten geeignet. Das benötigte Gerippe lies sich schnell aus den Resten von Version 2 zusammenzimmern. Auch bin ich der Meinung, dass sich mit dieser Variante ein geringes Gewicht der Flügel erreichen lässt, was sich günstig auf das Anlaufmoment des Rotors auswirkt. Zudem ist sie einfach zu fertigen. Die Profile lassen sich prima mit der Dekupiersäge aus günstigem Holz aussägen. Eine Stichsäge mit Holzsägeblatt erfüllt aber auch ihren Dienst. Ich habe 17x37mm Konstruktionslatten aus Kiefernholz verwendet. Die Aschlussschrauben an den Enden mit Unterlegscheiben werden am besten mit einem Forstnerbohrer versenkt. Meiner Erfahrung nach empfiehlt es sich, die Ausparungen für die Unterlegscheiben erst zu fräsen, nachdem man die Löcher für die Gewindestangen gebohrt hat.
Ich habe mich aus Kostengründen für 0,5mm starkes Walzblech als Ummantelung entschieden. Dünneres war leider nicht zu bekommen und Aluminium war mir zum Experimentieren zu teuer. Das wiederum lies die Flügel recht schwer werden, was im Grunde alle genannten Vorteile zunichte machte.
Das brachte mich zu Version 4, die einige eigene Vorteile hat. Die Flügel sind mit einfachen Mitteln selbst zu fertigen und es lassen sich einigermaßen einfach eine Vielzahl von unterschiedlichen Profilen realisieren. Zudem lässt sich trotz des massiven Körpers ein geringes Gewicht erreichen. Zumindest gegenüber den Versionen 2 und 3 hat Version 4 den Vorteil, dass sich auch kleine, schmale Profile fertigen lassen, was sich positiv auf die Schnelllaufzahl auswirkt. Das Sperrholz sollte aus möglichst dünnen Holzschichten gefertigt sein, so dass sich beim Abschleifen viele Linien zur Orientierung ergeben. Zur groben Bearbeitung empfehle ich einen Bandschleifer oder zur Not eine Raspel. Für die feineren Arbeiten kann man beispielsweise einen Exzenterschleifer benutzen. Außerdem wirkt sich dies positiv auf die Stabilität aus. Abschließend sollte das Ergebnis mit einem Holzlack in mehreren Anstrichen versiegelt werden. Nachteilig ist, dass die Arbeit recht zeitaufwändig ist, weil man sehr sorgfältig und vorsichtig vorgehen muss. Abschleifen lässt sich immer, aber dranschleifen geht nicht, wenn man es mal übertrieben und sich so seinen Flügel ruiniert hat.
Momentan habe ich 80cm lange Flügel mit einem NACA0018-Profil von 1,2cm Höhe und 6,7cm Länge.
Version 5 wurde im Forum von Otherpower vorgestellt ( http://fieldlines.com/board/index.php/topic,145306.0.html ). Dabei werden zunächst der Länge nach einzelne Nuten bis zum Flügelprofil in das Holz gesägt. Die Bahnen, die übrig bleiben, können dann mit einem Winkelschleifer und Schleifscheibe entfernt werden (unbedingt Staub-Atemschutz verwenden).

Der Drehzahlmesser
Um das Verhalten meines Windrades besser beurteilen zu können, habe ich mir einen Drehzahlmesser "gebaut".

Materialliste

• 1x Fahrradtacho

Bei meinen Besorgungen im Baumarkt habe ich gleich noch einen Fahrradcomputer für unter fünf Euro in den Einkaufkorb gepackt. Den Radumfang stellt man auf 1666mm ein und schon bekommt man die Drehzahl in 1/10 UpM angezeigt. Man muss den angezeigten Wert also mit zehn multiplizieren.

Der Generator
Ich habe einige Übelegungen angestellt, alte Lichtmaschinen oder Modellbaumotoren umzuwickeln oder auch Motoren aus Waschmaschinen mit Übersetzung zu verwenden. Ich habe mir einen Permanentmagnetgenerator gakauft, aber auch der brachte nicht die nötige Ladespannung zustande. Bei großen Windrädern kann man für erste Versuche sicherlich einiges mit einer Getriebeübersetzung erreichen, bei so einem kleinen Windrad bleibt von der geringen erzeugten Leistung dann allerdings nichts mehr übrig. Also bin ich zu dem Schluss gekommen, den Generator nach einigen Anleitungen im Internet selbst zu bauen.

Materialliste

• M6 Gewindestangen (M8 wäre sicherlich stabiler)
  
• M6 Muttern
  
• M6 Hutmuttern
  
• M6 Unterleg-/Karosseriescheiben
  
• M8 Gewindestange als Achse
  
• M8 Muttern
  
• 1x M8 Hutmutter zum Gegenhalten
  
• M8 Unterleg-/Karosseriescheiben
  
• 2x Kugellager aus Inlineskates (innen 8mm außen 22mm)
  
• 2x Spanplatte 240x240x15
  
• 2x Spanplattenscheibe Durchmesser 200*15 (für den Anker)
  
• 1x Spanplatte 240x240x8 (für den Stator)
  
• 230m Kupferlackdraht 0,5mm² (besser größeren Querschnitt wählen)
  
• Walzblech
  
• Neodym-Magnete
  
• 1x Stab Heißkleber
  
• 24x Linsenkopf Blechschrauben 3,5 x 13mm
  
• ...

Werkzeugliste

• Stichsäge
  
• Stichsägeblatt für Holz
  
• Stichsägeblatt für Metall (optional)
  
• Tischkreissäge (optional)
  
• (Stand-)Bohrmaschine
  
• Holzbohrer 6mm
  
• Holzbohrer 8mm
  
• Holzbohrer 12mm
  
• Metallbohrer 3mm
  
• Metallbohrer 6,5mm
  
• Metallbohrer 8,5mm
  
• Forstner Bohrer 22mm
  
• Heißklebepistole
  
• ...

Stator
Neun Spulen mit je 196 Windungen Kupferlackdraht 0,5 mm² (ca 25m je Spule). Je flacher sie gewickelt werden, desto kleiner kann der Luftspalt gewählt werden und desto höher ist die erzeugte Spannung. Bei meinem ersten Versuch habe ich allerdings einen runden Querschnitt gewickelt. Deswegen müssen Stator und Anker bei flacherer Wicklung entsprechend größer gewählt werden. Die Spulen werden zu drei Phasen mit je drei Spulen in Reihe verbunden.
In der ersten Version waren die Spulen "freischwebend" durch Kabelbinder fixiert. Das hat sich aber als nachteilig herausgestellt, da dadurch ein kleiner Luftspalt zwischen Spulen und Magneten verhindert wird.
Das Loch in den Spulen ist 10x30mm groß. Die Außenmaße sind ca. 35x50mm an der dicksten Stelle. Jede Spule hat einen rein ohm'schen Widerstand von ca 2Ohm
Das ganze soll dann beidseitig mit je zwölf (also insgesamt 24) 25x10x5mm N40 Neodym-Magneten erregt werden. Dabei gilt, je mehr Magnete man verwendet und je stärker diese sind, desto stärker ist auch das Magnetfeld. Das wiederum erhöht die Leistung des Generators, was dazu führen kann, dass der Rotor nicht mehr stark genug ist, um diesen anzutreiben. Grob gesagt gilt, um die abgegebene Leistung des Generators zu erhöhen, muss man das Magnetfeld vergrößern oder den Innenwiderstand des Generators verringern, also z.B. den Leiterquerschnitt vergrößern.



Nachdem, es sich herausgestellt hat, dass die Kabelbinder einen kleinen Luftspalt verhindern, bin ich dazu übergegangen, die Spulen mit Heißkleber einzukleben. Dabei sei darauf hingewiesen, dass Heißkleber bereits bei Temperaturen unter 200° flüssig wird. Es muss also darauf geachtet werden, wie stark sich die Statorspulen im Betrieb erhitzen.



Die Spulen sind im Stern verschaltet:


Ich bin inzwischen allerdings zu dem Schluss gekommen, dass es sich für so ein kleines Windrad nicht lohnt, drei Phasen zu verwenden. Die benötigten Ladespannung von etwa 12V wird einfach zu spät erreicht. Bei meinen nächsten Versuchen werde ich sämtliche Spulen in Reihe schalten, um so schon bei geringen Windgeschwindigkeiten die benötigte Spannung erzeugen zu können. Dadurch sinkt natürlich die Leistung des Generators. Allerdings ist das bei einem kleinen Windrad mit folglich geringer Leistung auch gar nicht mal unbedingt schlecht.

Läufer
Ich habe eine Eisenscheibe mit einem Durchmesser von 200mm und einer Stärke von 0,75mm zur Stabilisierung auf einer 15mm starken Sperrholzplatte befestigt.
Als Distanzhalter dienen M6x60mm Schrauben mit selbssichernden Muttern.
Zum Bestücken mit 25x10x5mm N40 Neodym-Magneten wird eine Schablone verwendet um dafür zu sorgen, dass die Biester beim Kleben auch an Ort und Stelle bleiben. Die Pole der Magneten befinden sich auf den großen Flächen und müssen immer wechselseitig gepolt angebracht werden. Vor dem Kleben müssen die Metallscheiben unbedingt gereinigt werden. Spiritus bietet sich dafür an. Als Kleber hab ich einfach Patex verwendet und hoffe, dass das bei meinem Langsamläufer keine zu hohen Fliehkräfte auftreten, die die Magnete verrutschen lassen.
Dieser Läuferhälfte wird dann eine identische Scheibe gegenüber angebracht. Dabei ist darauf zu achten, dass sich an den beiden Scheiben jeweils Nord- und Südpol gegenüber liegen, die Scheiben sich also anziehen.



Mit Neodym-Magneten bestückt:


Die Magnete sind wirklich höllisch stark und splittern extrem schnell (ich hab das mal mit beiliegenden Werbemagneten ausprobiert - mit Schutzbrille und Handschuhen versteht sich). Passt auf Finger, Bankkarten, etc. auf und lasst kein Eisen in der Nähe rumliegen, wenn ihr mit solchen Höllenteilen arbeitet!

Das Resultat
Der Luftspalt ist für den Betrieb natürlich viel zu groß und nur aus Anschauungsgründen so belassen. für den Betrieb muss an dem guten Stück noch so einiges justiert werden.


Der Gleichrichter
Ich habe einen ungeregelten sechspuls Brückengleichrichter (B6U) gebaut, um aus dreiphasen Drehstrom Gleichstrom zu erhalten. Die erzeugte Ausgangsspannung ist so gleichmäßig, dass unter Umständen sogar auf einen Kondensator zur Glättung verzichtet werden kann. Es muss also am Ausgang kein Kondensator parallel angeschlossen werden.
Ein Stück Streifenraster-Platine von 50mm x 50mm sollte als Grundlage ausreichen. Als Dioden habe ich BYV 28 200 gewählt. Die vertragen einen Strom von 3,5A bei einer Spannung von 200V. Es sollten unbedingt Schottky-Dioden verwendet werden, da diese einen geringeren Spannungsfall als gewöhnliche Silizium-Dioden haben.
Die Lötstifte mit 1,3mm² Querschnitt habe ich jeweils doppelt eingelötet um den Widerstand gering zu halten, bzw. die Leitfähigkeit zu erhöhen. Dafür müssen die vorhandenen Löcher in der Platine etwas aufgebohrt werden. Bei den passenden Steckschuhen verwendet man am besten die Exemplare mit Lötfahne und keine zum Crimpen.
Ich habe immer sechs Leiterbahnen der Streifenraserplatine miteinander verbunden um die nötige Leitfähigkeit sicherzustellen. Dabei ist es sehr hilfreich, abgeknipsten Beinchen der Dioden als Verbindung mit einzulöten.
Zur verbesserten Wärmeabfuhr sollten die Dioden nicht plan aufliegen sondern etwa 1mm Luft zur Platine haben. Als Abstandhalter bietet sich hier ein zurechtgefeiltes Stück Lochrasterplatine an.
Wer schön arbeiten will, biegt die Diodenbeinchen so ab, dass man nach dem Einlöten die Beschriftung noch lesen kann.

Materialliste

• 1x Streifenrasterplatine 50x50
  
• 6x Schottky-Diode BYV 28 200
  
• Lötstifte 1,3mm²
  
• Lötzinn

Werkzeugliste

• Lötkolben
  
• Bohrmaschine
  
• Bohrer 1,5mm
  
• Mikroseitenschneider
  
• Spitzzange

Schaltung


Skizze für Streifenrasterplatine


Bestückungsseite


Lötseite


Um die Lötstifte zu fixieren, kann man eine sogenannte "Dritte/Helfende Hand" beziehungsweise einen Platinenassistenten verwenden. Alternativ kann man die Platine etwas breiter und die Lötstifte etwas länger machen. Dadurch können sie zum Beispiel mit einer Krokoklemme neben der eigentlichen Lötstelle fixiert und später beispielsweise mit einem Microseitenschneider auf das gewünschte Maß gekürzt werden:


Der Laderegler
Bei Conrad, Reichelt, ELV, ... habe ich keinen Laderegler gefunden, der für ein Windrad wie meins zu gebrauchen wäre. Solarregler kommen in der Regel nicht in Frage, da diese als Überladungsschutz die Solarmodule kurzschließen, wenn die Batterie geladen ist. Bei einem Windrad würde das aber in einer wunderschönen Rauchwolke resultieren würde, zu vermeiden ist.
Aus diesem Grunde bin ich zu dem Schluss gekommen, dass es wohl nötig ist, den entsprechenden Regler selbst zu bauen.

Einfacher Laderegler (Überspannungsschutz)
Der folgende Laderegler schützt die Akkus vor Überspannung, indem er bei erreichen der Maximalspannung die Leistung in einer Ersatzlast umsetzt. Das Potentiometer darf nicht am Anschlag betreiben werden, da dann keine wirksame Strombegrenzung für die Z-Diode vorhanden ist. Sinnvoll wäre vor und nach dem Potentiometer noch je einen Widerstand in Reihe zu schalten. Die Leistung der Widerstände berechnet sich nach der Spannung, die über sie abfällt. Um es einfach zu halten, kann man die maximale Systemspannung (z.B. 12V) nehmen, quadrieren und durch den Widerstand teilen. Für das Beispiel 4,7 kOhm brauchen die Widerstände also eine Leistung von 12V * 12V / 4700 Ohm = 0,03W. Mit Standardwiderstände von 0,25W ist man also auf der sicheren Seite.

Die Spannung der Z-Diode sollte etwas unter der gewünschten Akkuspannung liegen. Die Schaltspnnung ist der Wert, ab dem auf die Ersatzlast umgeschaltet wird.



R₁: Einstellregler oder Potentiometer 100kΩ linear
Ein Potentiometer (Poti) hat drei Anschlüsse. Die Polung des oberen und unteren ist egal. Der Mittlere ist der Abgriff, über den die Schaltspannung stufenlos (f)eingestellt wird. Dieser wird mit dem Transistor-Steuereingang (Basis) verbunden.

R₂: Verbraucher/Ersatzlast (Dump-Load)
Widerstände verhalten sich wie Leitungsstücke. Die Polung ist egal.
Zum einen sollte der Widerstand möglichst niedrig gewählt werden, auf jeden Fall unter fünf Ohm. Zum anderen sollte er eine möglichst hohe Nennleistung haben. Zumindest aber so viel wie die maximale Leistung des Windradgenerators. Man kann Widerstände parallel schalten, um den Gesamtwiderstand zu verringern und die Nennleistung zu erhöhen. Im Hobbybereich werden häufig Glühlampen als Ersatzlast verwendet. Diese können jedoch durchbrennen. In diesem Fall hat man dann keine Ersatzlast und somit auch keinen Schutz mehr. Man sollte deswegen Ersatzlasten, die in der Regel nicht durchbrennen, also Tauchsieder, Hochlastwiderstände, etc. verwenden.

C₁: Mindestens ca. 47µF und 80 – 100V Maximalspannung
In dieser Kapazitätsklasse handelt es sich meist um Elektrolytkondensatoren (Elkos), bei denen in der Regel der Minuspol gekennzeichnet. Bei anderen ist die Polung egal.
Schaltet das Relais, bricht die Spannung ohne Kondensator plötzlich ein. Die Schaltspannung für das Relais kann dabei unterschritten werden. Der Stromkreis wird dann sofort wieder geöffnet und die Spannung springt über die Schaltspannung. Es kommt zum Relaisgeklapper, das zum einen nervig klingt und zum anderen einen enormen Verschleis an den Relaiskontakten bedeutet. Ein Kondensator macht die Schaltübergänge weicher und erzeugt dadurch eine Schalthysterese.

D₁: Universaldiode ab 400V, z.B. 1N4004
Diese Diode übernimmt die Sonderfunktion einer Freiläuferdiode. An dieser laufen sich zum Schutz der Bauelemente Spannungsspitzen tot, die beim Schalten der Relaisspule entstehen können. Der markierte Anschluss, die Kathode, wird, anders als sonst, mit dem Pluspul am Steueranschluss des Relais verbunden.

ZD₁: Z- Diode, z.B. ZPY 13V, 27V, 47V, 51V oder 56V, je nach gewünschter Schaltspannung oder jede andere Z- Diode mit P-tot um 1,3W
Z-Dioden werden in der Regel in Sperrrichtung betrieben. Das bedeutet, dass der markierte Anschluss, die Kathode, mit dem Pluspol verbunden wird.

T₁: Transistor z.B. Typ BD 681, Ausführung: NPN, Gehäuse: SOT 32, IC: 4 A, UCEO: 100 V, Ptot; 40 W
Die Beschaltung der Transistoranschlüsse ist von der Bauform abhängig. Sie ist dem jeweiligen Datenblatt zu entnehmen. Die Basis wird mit dem Stellanschluss des Potentiometers, der Kollektor mit dem Pluspol und der Emitter mit dem Pluspol am Steueranschluss des Relais verbunden.

K₁: Relais Nennspannung der Leistungs- bzw. Schalt-kontakte sollte mindestens Akkuspannung (besser etwas mehr) betragen. Nennstrom sollte etwas höher als der Nennstrom der Ersatzlast sein.
Die Anschlüsse eines Relais variieren je nach Bauform. Genaueres findet sich im jeweiligen Datenblatt. Der Pluspol der Steuerseite wird mit dem Emitter des Transistors und die Schaltseite mit der Ersatzlast verbunden.

S₁: Schließender Leistungskontakt des Relais

Funktionsweise:

1. Ist der Akku voll und der Generator läuft munter weiter, steigt die Spannung über die Ladeschlussspannung. Dieser Punkt wird über R₁ (f)eingestellt.
2. Durch diesen Spannungsanstieg wird der Transistor T ₁ angesteuert, der dafür sorgt, dass das Relais K₁ anzieht und den seinen Kontakt S₁ schließt.
3. Statt nun in den Akku einzuspeisen, wird die Energie in der Ersatzlast umgesetzt. Es wird zwar auch eine leitende Verbindung zum Akku geschaffen, was aber nicht von Bedeutung ist, denn:
4. Aufgrund der Belastung durch den zusätzlichen Verbraucher sinkt die Spannung, der Transistor sperrt und das Relais öffnet. Dadurch wird die Ersatzlast wieder komplett vom restlichen Stromkreis getrennt.

Natürlich muss man verhindern, dass der Generator bei Windstille als Generator betrieben wird. Diese Funktion übernehmen die Dioden im Gleichrichter nebenbei. Wenn man keinen Gleichrichter verwendet, muss man eine zusätzliche Sperrdiode einplanen. Baut man die Sperrdiode zusätzlich zum Gleichrichter ein, führt das durch den Spannungsfall an der Sperrdiode zu einem unnötig späteren Ladebeginn.

(vorläufiger) Erweiterter Schaltplan


Die ist erst eine Vorabversion der Reglerschaltung. Es sind noch einige Verbesserungen nötig.

Hallo XXLRay,

für ein paar € und leicht zu bauen!

Forum/phpBB2/viewtopic.php?t=1221


Gruß
Harald

siehe hier, ein geeigneter Regler von Bergwind eingestellt.

Forum/phpBB2/viewtopic.php?t=802&highlight=harald

unter Downloads, die PDF Datei PLR-8 laden.

Gruß
Harald

Hallo XXLRay,
hab mir Dein Video angeschaut, wie man an Deinem
"Windrichtungsanzeiger"
und an den Bäumen im Hintergrund sehen kann, ist hier ja einiges an Wind vorbeigekommen.

Leider stellt sich die Drehzahl in dem Video nur sehr schwach dar, liegt
das am Video, an der angehängten Last oder liegt es am System

(Ich bewundere immer den Optimismus der VAWT Bauer)

Gruß
Günter
Westerwald

So - ich habe jetzt mal rumgelese und gestöbert und bin zu dem Schluss gekommen, dass das in etwa ist, was ich brauche:

>>Schaltplan verworfen<<

Entdeckt da jemand böse Schnitzer? Gibt es andere Anmerkungen?

1. Ich bin schon froh, wenn ich auf 1-3 Ampere komme. (Ist zunächst nur ein Bastelprojekt)

2. Da ich nicht mit besonders hohen Strömen rechne, sollte eine Dimensionierung bis 10A mehr als ausreichend sein. (T1 wird vermutlich als Darlington-Verstärker aufgebaut)

3. Da hat du recht D5 sollte vielleicht besser eine ZD13V oder 14V sein. Allerdings musst du ja auch beachten, dass über die Wiederstände R5, R6 und R7 noch Spannung abfällt.

4. Richtig, der Überstromschutz soll nur die Schaltung, aber nicht den Generator oder Zusatverbrauczher schützen.

5. Nein - so war das eigentlich nicht gedacht. Gut, dass du es ansprichst. da muss ich wohl nochmal nachbessern. Die Batterie soll natürlich nicht weiter geladen werden.

6. Ja, laden und Stromentnahme soll gleichzeitig möglich sein.

Ich hab deine sachlichen Fragen in keinster Weise als (unberechtigte) Kritik aufgefasst, sondern bin im Gegenteil mehr als nur froh, dass sich jemand bereit erklärt einen Blick auf meine Spinnereien zu werfen.


e:

Ich bin nicht ganz sicher, ob ich deine Frage zum Widerstand der Schaltung richtig verstanden hab. Widerstände in Reihe werden addiert. Für parallel liegende Widerstände musst du deren Kehrwerte addieren und davon wieder den Kehrwert nehmen.
Ich habe dazu mal eine kleine Zeichnung gemacht:



Wenn du jetzt den konkreten Widerstand meiner Schaltung errechnen möchtest, dann müsstest du den Gesamtwiderstand des Überladeschutzes und den Gesamtwiderstand des Tiefentladeschutzes parallel zum Widerstand der Batterie berechnen.
Insgesamt erhältst du für die gesamte Schaltung dann einen Gesamtwiderstand, der etwas niedriger ist, als wenn du nur den Batteriewiderstand einbeziehst.

ee:

Mir ist noch aufgefallen, dass der R3 der Überstromsicherung ja auf jeden Fall ein Hochleistungswiderstand sein müsste, der einen möglichst geringen Widerstand haben muss, da über ihn ja der gesamte Ladestrom fließt. Zudem sollte T1 am Eingang ein Potentiometer haben, um den Abschaltstrom einstellen zu können.

Achso - ich glaube, ich verstehe, worauf du hinaus willst. Es ist richtig. Wenn wir einen Widerstand der Batterie von 5 Ohm annehmen, dann bräuchten wir am Eingang der Schaltung 552 V um die Spannung von 12 V an der Batterie zu erreichen:



Dabei vergisst du aber, dass der Innenwiderstand der Batterie je nach Ladezustand auf mehrere kOhm ansteigt.
Wenn der Innenwiderstand der Batterie also niedrig ist, ist die Batterie stark entladen und ich brauche auch nur eine relativ niedrige Spannung, um die Batterie zu laden. Je mehr die Batterie geladen ist, desto mehr steigt ihr Innenwiderstand und desto mehr auch der Spannungsfall über der Batterie.
Enscheidend für die Ladung ist also eigentlich nicht die Spannung, die an der Batterie anliegt, sondern vielmehr der Stom.

e: Allerdings habe ich ja schon im Nachtrag meines vorherigen Posts zugeben müssen, dass der R3 sicherlich kleiner auszulegn ist. Momentan plane ich mit einem 0,5 Ohm 11W Widerstand. Die aktualisierte Schaltung gibt es bei Gelegenheit.

Hoppla, du hast recht. da muss ich mich wohl irgendwo vertippt haben. 120 V als Eingangsspannung wären natürlich richtig. Wenn ich jetzt den Widerstand R3 (wie geplant) auf 0,55 Ohm verringere, komme ich auf eine theoretische Eingangsspannung von 42,12 V. Das sieht schon deutlich besser aus.
Man könnte natürlich mehrere Leistungswiderstände parallel schalten um den widerstand weiter zu verringern.
Was meinst du denn, wäre nötig, um meine Schaltung weiter zu verbessern?

Puuhhh - so viel Lesestoff

Zum ersten Link muss ich fragen, ob deine Widerstand-Werte gemessen oder geschätzt sind, denn deine "Behauptung", dass der Innenwiderstand der Batterie sich durch Erhöhung des Ladestroms ändert, kann so nicht stimmen. Die Spannung über die Batterie müsste (idealisiert) linear mit Erhöhung des Ladestroms (oder der Ladestrom linear mit Erhöhung der Spannung) ansteigen, so dass der Widerstand letztendlich unabhängig vom Ladestrom ist.
Ein kleines Beispiel:

wenn du den Ladestrom (I) verdoppelst, verdoppelt sich auch die Ladespannung (U): 2*I -> 2*U wenn du jetzt den Widerstand über R=2*U/2*I ausrechnest, kürzt sich der Faktor 2 raus.

Erst durch das Laden mit einem Ladestrom erhöht sich der Innenwiderstand der Batterie.

Zum zweiten Link muss ich sagen, dass du mit deiner Kernaussage Recht hast: Je niedriger der Widerstand von Generator (und Ladeschaltung) desto höher ist auch der Wirkungsgrad der Anlage. Dabei erreicht man die höchste Leistungsausbeute bei Leistungsanpassung. Das heißt der Innenwiderstand von Generator (und Schaltung) entspricht dem Lastwiederstand, also dem Innenwiderstand der Batterie.

Abschließend muss ich sagen, dass ich zwar weiß, dass der Innenwiderstand der Batterie ansteigt, ich aber keine Messwerte habe, mit denen ich die Größenordnung belegen kann.

e:

Ich hab nochmal nachgerechnet, mit was für Strömen ich rechnen muss. Mein Windrad hat eine Fläche von 0,4m² und hier ist recht wenig Wind. Ich gehe also von einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 4m/s aus.

Daraus ergibt sich ungefähr eine theoretische mittlere Leistung von 4³*0,4*0,6 = 15W
Das wären also bei 12 V nichtmal 2 A - eher deutlich weniger.

Bei einem tüchtigen Sturm mit 15 m/s ergibt sich eine Leistung von theoretisch 810 W, was meine Schaltung dann halt zum glühen bringen dürfte ;)

OK - der Widerstand der Batterie ist also immer deutlich geringer als ich angenommen hatte. Was bedeutet das aber in Bezug auf meine Schaltung?

Natürlich sollten Generator und Schaltung einen möglichst niedrigen Innenwiderstand haben. In dieser Hinsicht bin ich ganz deiner Meiung. Allerdings sollte man die Schaltung schon durch eine Sicherung vor zu hohen Strömen schützen. Man könnte dafür natürlich eine Feinsicherung verwenden, aber ich bin der Meinung, dass sich dieser Unterschied nicht all zu stark auswirkt. Da käme es vermutlich auf ein paar praktische Versuche an.

Grundsätzlich plane ich nicht, die Batterie auszuwechseln, aber man sollte vielleicht trotzdem eine entsprechende Vorrichtung vorsehen, wenn man schon am Planen ist. Spricht etwas dagegen, den Generator einfach durch einen Schalter von der Schaltung zu trennen, also in Leerlauf zu schalten?

e:

Ich hab den Savonius meines Windrades modifiziert. Den Link zum Video gibts im ersten Beitrag.