Da man deutlich einfacher und günstiger am gebrauchte Elektromotoren als an Generatoren kommt, ist die Versuchung groß, einen Motor als Generator zu betreiben. Prinzipiell kann man jeden Elektromotor auch als Generator verwenden. Die Frage ist, wieviel Aufwand das kostet. Am einfachsten ist es mit permanent erregten Motoren (häufig Schrittmotoren), mit etwas Aufwand kann man fremderregte Motoren (häufig Lichtmaschinen) verwenden und zur Einspeisung sind prinzipiell auch Asynchronmotoren geeignet.
Je näher Nenn-Spannung und -Drehzahl dabei an den Werten des Windrades liegen, desto besser. Dabei gilt, je weiter die Drehzahl abweicht desto größer ist die notwendige Übersetzung. Je weiter die Spannung abweicht, desto höher ist der Innenwiderstand und entsprechend niedrig der Wirkungsgrad.
Um die Eignung eines Generators für den Windradeinsatz zu ermitteln, sind in erster Linie vier Werte wichtig. Zum einen muss man wissen, ob die Windradleistung ausreicht, den Generator zu betreiben. Dafür benötigt man die Generatorleistung unter Last zu vorgegebenen Drehzahlen. Zum Anderen muss man wissen, wie schnell das Windrad drehen muss, um die gewünschte Lade- oder Einspeisespannung zu erreichen. Dafür benötigt man die drehzahlabhängige Leerlaufspannungskurve. Zusätzlich braucht man noch Informationen, ob das Drehmoment des Windrades hoch genug ist, um den Generator in Drehung zu versetzen. Letzlich muss man wissen, wie groß der elektrische Innenwiderstand der Generatorspulen ist.
Die Leistung eines Generators sollte bei einer Drehzahl immer unterhalb der Windradleistung liegen. Man muss also zunächst sowohl für Windrad, als auch für den Generator eine Drehzahlabhängige Leistungskennlinie aufstellen.
Windradkennlinie
Für das Kennlinienfeld überlegt man sich zunächst beliebig viele Wingeschwindigkeiten zwischen 0 und 10 m/s.
Für die Kennlinie des Windrades errechnet man zunächst aus den Abmessungen des Windrades die Drehzahlen zu den gewählten Windgeschwindigkeiten. Hilfreich sind dabei die Formeln zu Berechnung der Drehzahl eines Windrades aus dem Grundlagenbereich.
Danach kann man aus den Windgeschwindigkeiten die Leistungen zu den einzelnen Drehzahlen berechnen. Dazu gibt es im Grundlagenbereich Formeln zu Berechnung der Leistung eines Windrades.
Generatorkennlinie
Für die Generatorkennlinie misst man unter Last Strom und Spannung bei den ermittelten Drehzahlen und multipliziert diese miteinander, um die Leistung zu erhalten.
Häufig möchte jemand vor dem Kauf eines Motors wissen, welche Leistung dieser im Generatorbetrieb erreichen kann. Eine Kennlinie kann in diesem Fall häufig nicht aufgenommen werden. Eine ganz grobe Abschätzung kann man machen, indem man als maximale Leistung die Nennleistung bei Nenndrehzahl annimmt. Beide sind auf dem Typenschild vermerkt. Für niedrigere Drehzahlen wird die Leistung proportional angenommen. In der Praxis wird die Leitung aber geringer sein.
Die fertige Tabelle mit zugehörigem Diagramm sieht dann etwa so aus:
In diesem Beispiel liegt die Leistung des Windrades ab 3 m/s oberhalb der des Generator, so dass es stark genug ist, diesen unter Last anzutreiben.
Nun ist zusätzlich interessant, ob der Generator auch die nötige Spannung liefert. Bei Akkuladung ist das die Nennspannung der Akkubank und bei Einspeisung die minimale Nenneingangsspannung des Einspeisewechselrichters. Erreicht der Generator diese Schwellspannung nicht bei der gewünschten Anfangswindgeschwindigkeit, muss mit einer Übersetzung gearbeitet werden.
Rastmoment des Generators
Zur einfachen Messung des Dehmomentes bringt man mittig auf der Nabe beispielsweise eine Latte an. Wenn sie waagerecht ausgerichtet ist, muss diese muss auf beiden Seiten gleich weit überstehen. Das ist wichtig, damit man auf beiden Seiten gleich viel Gewicht anbringt. Man kann natürlich auch zwei separate Latten nehmen, wenn bei der Montage die Welle im Weg ist. Nun befestigt man mit einem Band einen Behälter wie eine Tüte oder einen Becher an einer Seite des Hebelarms. Am praktischsten ist es, wenn man sie wenige Zentimeter über dem Boden baumeln lassen kann. Wenn der Behälter selbst sehr schwer ist, muss man das auf der anderen Seite eigentlich genauso machen.
Man misst die Länge von der Mitte der Welle bis zu dem Punkt, an dem der Behälter befestigt ist. Das wird als "Länge des Hebelarms" notiert.
Nun füllt man an einer Seite den Beälter nach und nach mit Gewicht. Das kann Wasser, Sand oder Schrauben sein.
Sobald der Generator sich dreht, wird der Behälter gewogen. Um Messfehler auszuschließen, sollte man das Vorgehen einige Male wiederholen.
Das Rastmoment des Generators wird aus Kraft mal Länge des Hebelarms berechnet. g ist dabei die Erdbeschleunigung (immer ca 9,81 m/s2):
M [Nm] = m [kg] * l [m] * g [(m/s²)] also zum Beispiel 0,180kg * 0,1m * 9,81 m/s2) = 0,177Nm
Das Drehmoment des Windrades hängt von Größe, Profil und Anzahl der Flügel ab. Es steigt mit Anzahl und Größe der Flügel.
Innenwiderstand
Bei Batterieladung sollte der Innenwiderstand der Generatorwicklungen unter 3 Ohm liegen, bei 12 Volt Systemen eher deutlich niedriger. Wird der Generator zur Einspeisung genutzt, ist aufgrund der programmierten Kennlinie oder des MPPT im Einspeisewechselrichter auch ein höherer Innenwiderstand möglich.
Je näher Nenn-Spannung und -Drehzahl dabei an den Werten des Windrades liegen, desto besser. Dabei gilt, je weiter die Drehzahl abweicht desto größer ist die notwendige Übersetzung. Je weiter die Spannung abweicht, desto höher ist der Innenwiderstand und entsprechend niedrig der Wirkungsgrad.
Um die Eignung eines Generators für den Windradeinsatz zu ermitteln, sind in erster Linie vier Werte wichtig. Zum einen muss man wissen, ob die Windradleistung ausreicht, den Generator zu betreiben. Dafür benötigt man die Generatorleistung unter Last zu vorgegebenen Drehzahlen. Zum Anderen muss man wissen, wie schnell das Windrad drehen muss, um die gewünschte Lade- oder Einspeisespannung zu erreichen. Dafür benötigt man die drehzahlabhängige Leerlaufspannungskurve. Zusätzlich braucht man noch Informationen, ob das Drehmoment des Windrades hoch genug ist, um den Generator in Drehung zu versetzen. Letzlich muss man wissen, wie groß der elektrische Innenwiderstand der Generatorspulen ist.
Die Leistung eines Generators sollte bei einer Drehzahl immer unterhalb der Windradleistung liegen. Man muss also zunächst sowohl für Windrad, als auch für den Generator eine Drehzahlabhängige Leistungskennlinie aufstellen.
Windradkennlinie
Für das Kennlinienfeld überlegt man sich zunächst beliebig viele Wingeschwindigkeiten zwischen 0 und 10 m/s.
Für die Kennlinie des Windrades errechnet man zunächst aus den Abmessungen des Windrades die Drehzahlen zu den gewählten Windgeschwindigkeiten. Hilfreich sind dabei die Formeln zu Berechnung der Drehzahl eines Windrades aus dem Grundlagenbereich.
Danach kann man aus den Windgeschwindigkeiten die Leistungen zu den einzelnen Drehzahlen berechnen. Dazu gibt es im Grundlagenbereich Formeln zu Berechnung der Leistung eines Windrades.
Generatorkennlinie
Für die Generatorkennlinie misst man unter Last Strom und Spannung bei den ermittelten Drehzahlen und multipliziert diese miteinander, um die Leistung zu erhalten.
Häufig möchte jemand vor dem Kauf eines Motors wissen, welche Leistung dieser im Generatorbetrieb erreichen kann. Eine Kennlinie kann in diesem Fall häufig nicht aufgenommen werden. Eine ganz grobe Abschätzung kann man machen, indem man als maximale Leistung die Nennleistung bei Nenndrehzahl annimmt. Beide sind auf dem Typenschild vermerkt. Für niedrigere Drehzahlen wird die Leistung proportional angenommen. In der Praxis wird die Leitung aber geringer sein.
Die fertige Tabelle mit zugehörigem Diagramm sieht dann etwa so aus:
In diesem Beispiel liegt die Leistung des Windrades ab 3 m/s oberhalb der des Generator, so dass es stark genug ist, diesen unter Last anzutreiben.
Nun ist zusätzlich interessant, ob der Generator auch die nötige Spannung liefert. Bei Akkuladung ist das die Nennspannung der Akkubank und bei Einspeisung die minimale Nenneingangsspannung des Einspeisewechselrichters. Erreicht der Generator diese Schwellspannung nicht bei der gewünschten Anfangswindgeschwindigkeit, muss mit einer Übersetzung gearbeitet werden.
Rastmoment des Generators
Zur einfachen Messung des Dehmomentes bringt man mittig auf der Nabe beispielsweise eine Latte an. Wenn sie waagerecht ausgerichtet ist, muss diese muss auf beiden Seiten gleich weit überstehen. Das ist wichtig, damit man auf beiden Seiten gleich viel Gewicht anbringt. Man kann natürlich auch zwei separate Latten nehmen, wenn bei der Montage die Welle im Weg ist. Nun befestigt man mit einem Band einen Behälter wie eine Tüte oder einen Becher an einer Seite des Hebelarms. Am praktischsten ist es, wenn man sie wenige Zentimeter über dem Boden baumeln lassen kann. Wenn der Behälter selbst sehr schwer ist, muss man das auf der anderen Seite eigentlich genauso machen.
Man misst die Länge von der Mitte der Welle bis zu dem Punkt, an dem der Behälter befestigt ist. Das wird als "Länge des Hebelarms" notiert.
Nun füllt man an einer Seite den Beälter nach und nach mit Gewicht. Das kann Wasser, Sand oder Schrauben sein.
Sobald der Generator sich dreht, wird der Behälter gewogen. Um Messfehler auszuschließen, sollte man das Vorgehen einige Male wiederholen.
Das Rastmoment des Generators wird aus Kraft mal Länge des Hebelarms berechnet. g ist dabei die Erdbeschleunigung (immer ca 9,81 m/s2):
M [Nm] = m [kg] * l [m] * g [(m/s²)] also zum Beispiel 0,180kg * 0,1m * 9,81 m/s2) = 0,177Nm
Das Drehmoment des Windrades hängt von Größe, Profil und Anzahl der Flügel ab. Es steigt mit Anzahl und Größe der Flügel.
Innenwiderstand
Bei Batterieladung sollte der Innenwiderstand der Generatorwicklungen unter 3 Ohm liegen, bei 12 Volt Systemen eher deutlich niedriger. Wird der Generator zur Einspeisung genutzt, ist aufgrund der programmierten Kennlinie oder des MPPT im Einspeisewechselrichter auch ein höherer Innenwiderstand möglich.
