In letzter zeit gab es immer wieder Diskussionen über die Leistungsanpassung und den Ladebeginn, eine Menge unterschiedlicher Ansichten darüber wie eine Windanlage zur Batterieladung beschaffen sein sollte. Ein möglichst früher Ladebeginn, da sind sich die meisten einig, scheint oberstes Auswahlkriterium bei der Planung eines Selbstbaus aber vor allem auch beim Kauf eines fertigen Systems darzustellen.
Ich denke nun dass es an der Zeit ist dieses Thema,die Hintergründe, etwas genauer zu beleuchten und einige Zusammenhänge darzustellen damit man anschließend auf diesen Grundlagen aufbauend nach Lösungsansätzen suchen kann.
Dabei soll sich dieser Artikel vor allem, aber nicht ausschließlich, auf den Selbstbau von Scheibengeneratoren beziehen da es hier möglich ist, auf verschiedene Parameter einzugehen und bereits bei der Auslegung des Generators auf einige Dinge zu achten, sowie die Möglichkeit, auch nach der Fertigstellung noch Änderungen an den Eigenschaften des Genis vorzunehmen...
Schon seit etwa hundert Jahren wird mit der wird die Energie des Windes dazu genutzt, mit Windgeneratoren Batterien zu laden wobei sich mit Ausnahme der Gier nach Nutzung immer kleinerer Windgeschwindigkeiten das Grundprinzip das gleiche geblieben ist...
Wir haben eine Batterie mit einer mehr oder weniger konstanten Spannung, die wir mit einem Ladestrom füttern und wir haben einen Generator der eine Spannung liefert, welche wir dann mit einem Gleichrichter irgendwie für das Laden von Batterien anwendbar machen und verbinden beides über einen Laderegler miteinander.
Wenn wir annehmen dass das Magnetfeld innerhalb des Generators konstant bleibt und wir mal annehmen dass die Wicklung keine Widerstand hat, so fließt Strom in die Batterie sobald die Spannung des Generators die der Batterie übersteigt und es wirkt nur der innere widerstand der Batterie diesem Stromfluss entgegen, wobei dieser sehr klein ist und für erste Annäherungen ans Thema deshalb (vorerst) vernachlässigt werden kann.
Wenn wir unter diesen Annahmen die Drehzahl des Generators steigern, so erhöht sich auch die Generatorspannung und da es keine Widerstände gibt kann der Strom theoretisch bis ins Unendliche ansteigen.
Wenn die Wicklung des Generators nun aber einen Widerstand besitzt, so verursacht der durch sie hindurch fließende Strom einen Spannungsabfall und der Ladestrom wird nun durch diesen Widerstand sowie durch den Unterschied zwischen der konstanten Spannung der Batterie und jener des Generators bestimmt.
Hat der Generator also einen hohen Innenwiderstand, so erhält man bei Ladebeginn relativ kleine Ströme, die dann mit steigender Drehzahl größer werden wobei ein Teil des Stromes in Form chemischer Energie in der Batterie gespeichert- und ein anderer in den Windungen der Generatorspulen in WÄRME umgewandelt wird.
Ist der Widerstand des Generators also sehr klein, so steigt der Stromfluss mit steigender Drehzahl also sehr stark an, es entstehen in den Windungen aber verhältnismäßig kleine Verluste. Ist der Widerstand des Generators größer, so ist der Anstieg des Stromes im Verhältnis zur Drehzahl keiner, die Wärmeverluste in den Spulen aber größer.
Solange wir das akzeptieren und beachten gibt es keine Probleme.
Als problematisch stellte sich das nun aber erstmal dar, als man damit begann Autos mit Lichtmaschinen auszustatten um damit Batterien zu laden. Stationäre Generatoren arbeiteten bislang in der Regel mit konstanten Drehzahlen und mussten nun mit stark variierenden Geschwindigkeiten betrieben werden. Legte man sie so aus, dass sie bereits bei kleinen Drehzahlen luden, so flossen bei großen Drehzahlen viel zu große Ladeströme mit denen die Batterien nicht klar kamen und bei welchen die Generatorspulen durchbrannten. Wurden sie für große Drehzahlen optimiert, wurden die Batterien bei kleinen Motordrehzahlen gar nicht geladen und entleerten sich.
Die Lösung bestand letztlich darin, die Stärke des Magnetfeldes variabel auszulegen. Wird das Magnetfeld schwächer, so sinkt die Generator interne Spannung und der Windungswiderstand hält den Stromfluss in Grenzen.
Beim Einsatz von Generatoren für Windanlagen versuchte man es nun nach dem gleichen Prinzip aber große langsam drehende Generatoren mit Elektromagneten waren sehr teuer und brachten weitere Probleme mit. Um die benötigte Leistung für den Feldstrom der Elektromagneten im Rahmen zu halten, war die Flussdichte sehr limitiert und es waren viele Windungen nötig die wiederum viel Widerstand mit sich brachten. Neben dem Problem der Ankerrückwirkung ( http://de.wikipedia.org/wiki/G…Cckwirkung) waren sie bedingt durch ihren Aufbau in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt, so dass bei größeren Windgeschwindigkeiten die Rotoren der unterfordert waren gnadenlos an Geschwindigkeit zulegten ohne durch steigende Generatorleistung gebremst zu werden so dass sie frühzeitig abgeregelt werden mussten.
Zwar gab es auch magnetische Erze, jedoch war die Flussdichte solcher Magnete sehr klein und es waren sehr viele Windungen mit viel Widerstand nötig. Letztlich waren auch solche permanent erregten Generatoren in der Höhe ihrer Ausgangsspannung begrenzt, jedoch sparte man zumindest schon die Verluste durch fehlende Feldwicklungen ein.
Der nächste größere Durchbruch waren Samarium Kobalt- Magnete welche aber sehr teuer waren und noch immer Statoren mit Eisen im Kern voraussetzen und sehr teuer waren- zu teuer für Kleinwindanlagen. Zudem hatten die Heneratoren oft ein sehr starkes Rastmoment, was die Schwachwindtauglichkeit sehr einschränkte. Unter 3-4 m/s begann sich ein Rotor nur selten auch nur zu drehen.
Letztlich gab uns die moderne Wissenschaft mit Neodymmagneten die perfekte Antwort auf all unsere Probleme und löste somit das Problem kleiner Drehzahlen in Verbindung mit niedrigen Wicklungswiderständen.
Sie eröffneten uns die Möglichkeiten, Feldstärken zu erzeugen die größer sind als jene durch durch verlustreiche Feldspulen, sind äußerst kompakt und benötigen keine Energie.
„Normale“ Generatoren sind darauf ausgelegt, ihren maximalen Wirkungsgrad bei Nennleistung zu erzielen wobei sich Bauarten mit Eisenkernen als günstiger Standard durchgesetzt haben.
Für den Einsatz mit Windanlagen bei kleinen Windgeschwindigkeiten, bei denen nur wenig Leistung zu ernten ist, sind sie jedoch nicht optimal geeignet, da das Eisen im Kern immer Verluste verursacht die wir nicht verhindern können und es entsteht bei jedem Polwechsel ein Rasten (cogging) welches den frühen Anlauf einer Anlage im Wege steht.
Mit den mittlerweile recht preisgünstgen Neos ist es uns aber möglich, Windgeneratoren ohne Eisenkerne zu bauen wodurch Eisenverluste und cogging entfallen und somit auch Windgeschwindigkeiten unter 4 m/s zu nutzen- und das bei praktisch kleiner Bausweise- Scheibengeneratoren werden 100 Jahre nachdem ihn der gute alte Siemens patentieren ließ wiederentdeckt....
...Nun gibt es viele Leute die auf ihrer Jagt nach der Nutzung kleinster Windgeschwindigkeiten und niedrigester Ladebeginne deutlich übertreiben. Sie wickeln ihre Generatoren für Ladebeginne von teilweise unter 3 m/s und versuchen durch möglichst kleine Wicklungswiderstände und somit große Bauformen gleichzeitig einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Generators zu erzielen.
Was passiert nun also?
Fortsetzung folgt
Ich denke nun dass es an der Zeit ist dieses Thema,die Hintergründe, etwas genauer zu beleuchten und einige Zusammenhänge darzustellen damit man anschließend auf diesen Grundlagen aufbauend nach Lösungsansätzen suchen kann.
Dabei soll sich dieser Artikel vor allem, aber nicht ausschließlich, auf den Selbstbau von Scheibengeneratoren beziehen da es hier möglich ist, auf verschiedene Parameter einzugehen und bereits bei der Auslegung des Generators auf einige Dinge zu achten, sowie die Möglichkeit, auch nach der Fertigstellung noch Änderungen an den Eigenschaften des Genis vorzunehmen...
Schon seit etwa hundert Jahren wird mit der wird die Energie des Windes dazu genutzt, mit Windgeneratoren Batterien zu laden wobei sich mit Ausnahme der Gier nach Nutzung immer kleinerer Windgeschwindigkeiten das Grundprinzip das gleiche geblieben ist...
Wir haben eine Batterie mit einer mehr oder weniger konstanten Spannung, die wir mit einem Ladestrom füttern und wir haben einen Generator der eine Spannung liefert, welche wir dann mit einem Gleichrichter irgendwie für das Laden von Batterien anwendbar machen und verbinden beides über einen Laderegler miteinander.
Wenn wir annehmen dass das Magnetfeld innerhalb des Generators konstant bleibt und wir mal annehmen dass die Wicklung keine Widerstand hat, so fließt Strom in die Batterie sobald die Spannung des Generators die der Batterie übersteigt und es wirkt nur der innere widerstand der Batterie diesem Stromfluss entgegen, wobei dieser sehr klein ist und für erste Annäherungen ans Thema deshalb (vorerst) vernachlässigt werden kann.
Wenn wir unter diesen Annahmen die Drehzahl des Generators steigern, so erhöht sich auch die Generatorspannung und da es keine Widerstände gibt kann der Strom theoretisch bis ins Unendliche ansteigen.
Wenn die Wicklung des Generators nun aber einen Widerstand besitzt, so verursacht der durch sie hindurch fließende Strom einen Spannungsabfall und der Ladestrom wird nun durch diesen Widerstand sowie durch den Unterschied zwischen der konstanten Spannung der Batterie und jener des Generators bestimmt.
Hat der Generator also einen hohen Innenwiderstand, so erhält man bei Ladebeginn relativ kleine Ströme, die dann mit steigender Drehzahl größer werden wobei ein Teil des Stromes in Form chemischer Energie in der Batterie gespeichert- und ein anderer in den Windungen der Generatorspulen in WÄRME umgewandelt wird.
Ist der Widerstand des Generators also sehr klein, so steigt der Stromfluss mit steigender Drehzahl also sehr stark an, es entstehen in den Windungen aber verhältnismäßig kleine Verluste. Ist der Widerstand des Generators größer, so ist der Anstieg des Stromes im Verhältnis zur Drehzahl keiner, die Wärmeverluste in den Spulen aber größer.
Solange wir das akzeptieren und beachten gibt es keine Probleme.
Als problematisch stellte sich das nun aber erstmal dar, als man damit begann Autos mit Lichtmaschinen auszustatten um damit Batterien zu laden. Stationäre Generatoren arbeiteten bislang in der Regel mit konstanten Drehzahlen und mussten nun mit stark variierenden Geschwindigkeiten betrieben werden. Legte man sie so aus, dass sie bereits bei kleinen Drehzahlen luden, so flossen bei großen Drehzahlen viel zu große Ladeströme mit denen die Batterien nicht klar kamen und bei welchen die Generatorspulen durchbrannten. Wurden sie für große Drehzahlen optimiert, wurden die Batterien bei kleinen Motordrehzahlen gar nicht geladen und entleerten sich.
Die Lösung bestand letztlich darin, die Stärke des Magnetfeldes variabel auszulegen. Wird das Magnetfeld schwächer, so sinkt die Generator interne Spannung und der Windungswiderstand hält den Stromfluss in Grenzen.
Beim Einsatz von Generatoren für Windanlagen versuchte man es nun nach dem gleichen Prinzip aber große langsam drehende Generatoren mit Elektromagneten waren sehr teuer und brachten weitere Probleme mit. Um die benötigte Leistung für den Feldstrom der Elektromagneten im Rahmen zu halten, war die Flussdichte sehr limitiert und es waren viele Windungen nötig die wiederum viel Widerstand mit sich brachten. Neben dem Problem der Ankerrückwirkung ( http://de.wikipedia.org/wiki/G…Cckwirkung) waren sie bedingt durch ihren Aufbau in ihrer Leistungsfähigkeit begrenzt, so dass bei größeren Windgeschwindigkeiten die Rotoren der unterfordert waren gnadenlos an Geschwindigkeit zulegten ohne durch steigende Generatorleistung gebremst zu werden so dass sie frühzeitig abgeregelt werden mussten.
Zwar gab es auch magnetische Erze, jedoch war die Flussdichte solcher Magnete sehr klein und es waren sehr viele Windungen mit viel Widerstand nötig. Letztlich waren auch solche permanent erregten Generatoren in der Höhe ihrer Ausgangsspannung begrenzt, jedoch sparte man zumindest schon die Verluste durch fehlende Feldwicklungen ein.
Der nächste größere Durchbruch waren Samarium Kobalt- Magnete welche aber sehr teuer waren und noch immer Statoren mit Eisen im Kern voraussetzen und sehr teuer waren- zu teuer für Kleinwindanlagen. Zudem hatten die Heneratoren oft ein sehr starkes Rastmoment, was die Schwachwindtauglichkeit sehr einschränkte. Unter 3-4 m/s begann sich ein Rotor nur selten auch nur zu drehen.
Letztlich gab uns die moderne Wissenschaft mit Neodymmagneten die perfekte Antwort auf all unsere Probleme und löste somit das Problem kleiner Drehzahlen in Verbindung mit niedrigen Wicklungswiderständen.
Sie eröffneten uns die Möglichkeiten, Feldstärken zu erzeugen die größer sind als jene durch durch verlustreiche Feldspulen, sind äußerst kompakt und benötigen keine Energie.
„Normale“ Generatoren sind darauf ausgelegt, ihren maximalen Wirkungsgrad bei Nennleistung zu erzielen wobei sich Bauarten mit Eisenkernen als günstiger Standard durchgesetzt haben.
Für den Einsatz mit Windanlagen bei kleinen Windgeschwindigkeiten, bei denen nur wenig Leistung zu ernten ist, sind sie jedoch nicht optimal geeignet, da das Eisen im Kern immer Verluste verursacht die wir nicht verhindern können und es entsteht bei jedem Polwechsel ein Rasten (cogging) welches den frühen Anlauf einer Anlage im Wege steht.
Mit den mittlerweile recht preisgünstgen Neos ist es uns aber möglich, Windgeneratoren ohne Eisenkerne zu bauen wodurch Eisenverluste und cogging entfallen und somit auch Windgeschwindigkeiten unter 4 m/s zu nutzen- und das bei praktisch kleiner Bausweise- Scheibengeneratoren werden 100 Jahre nachdem ihn der gute alte Siemens patentieren ließ wiederentdeckt....
...Nun gibt es viele Leute die auf ihrer Jagt nach der Nutzung kleinster Windgeschwindigkeiten und niedrigester Ladebeginne deutlich übertreiben. Sie wickeln ihre Generatoren für Ladebeginne von teilweise unter 3 m/s und versuchen durch möglichst kleine Wicklungswiderstände und somit große Bauformen gleichzeitig einen möglichst hohen Wirkungsgrad des Generators zu erzielen.
Was passiert nun also?
Fortsetzung folgt
