Wie läd ein Windrad einen Akku

Grundlegende beschreibung des Ladevorganges
 
XXLRay
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Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 11.12.2011 - 10:34 Uhr  ·  #1
Ganz einfach gesagt läd ein Windrad einen Akku immer dann, wenn die aktuelle Generatorspannung größer als die Batteriespannung ist. Je nachdem wie weit geladen der Akku ist, ist auch dessen Spannung höher oder niedriger. Die Ladespannung eines Akkus ist also nicht immer gleich.

Stellt man sich ein Windrad bei Windstille vor, steht auch die Generatorwelle still, am Generator wird keine elektrische Spannung aufgebaut und es fließt kein Ladestrom. Der Akku ist aber in der regel nie ganz leer, sonst ist er unrettbar beschädigt. So würde der Generator wie ein Motor betrieben, wenn man die Stromflußrichtung nicht durch eine Diode oder einen Gleichricheter so festlegt, das Strom zwar vom Generator zum Akku aber nicht umgekehrt fließen kann.

Nun beginnt, ein leichtes Lüftchen zu wehen. Die Generatorwelle dreht sich, durch das drehende Magnetfeld wird eine Kraft auf die Elektronen in den Generatorspulen ausgeübt, die sich dadurch am Minuspol des Generators ansammeln. Dabei arbeitet der Generator stehts gegen die Anziehungskraft zwischen den positiv geladenen Protonen am Pluspol und der negativ geladenen Elektronen am Minuspol. Der Spannungsunterschied lässt sich also nicht über die Zeit ansammeln, sondern muss durch eine Generatordrehzahl erreicht werden, die diese Anziehungskraft überwindet. Durch die unterschiedliche Menge Elektronen an Plus- und Minuspol bildet sich eine elektrische Spannung. Diese ist jedoch noch nicht ausreichend groß, um einen Strom gegen die bestehende Akkuspannung fließen zu lassen.

Der Wind frischt jetzt auf. Die Generatorwelle dreht nun deutlich schneller und es haben sich ein so großer Elektronenunterschied gebildet, dass die Spannung nun oberhalb der Akkuspannung liegt. Die Elektronen fließen nun vom Minuspol des Generators durch den Akku zum Pluspol des Generators und laden den Akku dabei auf. Es fließt also ein Ladestrom. In der Regel steigt die Generatorspannung nun nicht oder nur in Geringem Maße weiter an, da die Elektronen ja von den Polen abfließen und sich nicht weiter ansammeln.

Weht der Wind nun eine Weile stetig, hat die Spannung des Akkus das Maximum, das der Hersteller vorgibt erreicht. Bleiakkus beginnen nun zu gasen. In gerigem Umfang ist das sogar erwünscht, um Korosionsprozesse umzukehren, aber in der Regel muss der Akku nun vom Generator getrennt werden. Bei kleinen Windrädern ist die Gefahr, einen großen Akku durch Überladung zu zerstören, recht gering. Wenn man den Ladestand regelmäßig überprüft, kann diese Spannung durchaus von Hand erfolgen. In der Regel möchte man aber, dass das automatisch geschieht und verwendet dazu einen Laderegler. Für Windräder ist da häufig ein einfacher Überspannungsschutz mehr als ausreichend. Dabei darf das Windrad aber nicht einfach vom allen elektrischen Verbrauchern, in diesem Fall dem Akku getrennt werden, so dass es nicht mehr belastet wird. Es würde dann ungebremst im Leerlauf frei drehen und sich gegebenenfalls durch die auftretenden Fliehkräfte selbst zerlegen. Bei vollem Akku muss das Windrad also an eine Ersatzlast, das kann ein Hochlastwiderstand oder Tauchsieder sein, angeschlossen werden. Glühlampen sind als Ersatzlast wenig geeignet. Diese können durchbrennen und in diesem Fall ist das Windrad dann wieder unbelastet.
Windfried
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 11.12.2011 - 16:52 Uhr  ·  #2
Zitat
In der Regel steigt die Generatorspannung nun nicht oder nur in Geringem Maße weiter an, da die Elektronen ja von den Polen abfließen und sich nicht weiter ansammeln.

Wohl nicht ganz richtig.

Die durch das Induktionsgesetz begründete Ind.-Spannung steigt mit der Drehzahl linear weiter an.
Wird nur auf Klemmenspannung des Akkus reduziert durch den Spannungsfall vom Stromfluss über die Summe aller Widerstände, die bis zum Akku zu messen sind, minus aller wirksamen Flussspannungen der Gleichrichter. Letzteres nur der Vollständigkeit halber.
Eigentlich Reduzierung auf Summe aller Zellspannungen des Akkus, da dessen Innenwiderstand aber gering ist (zu sein hat), mag man das vernachlässigen.
Die Zellenspannung genügt den akkueigenen Gesetzen und ist in gewissen Grenzen ladezustands-abhängig. Stromabhängig ansich nicht.
Wenn doch ein Anstieg der Klemmenspannung, so ist der R_i des Akkus dafür verantwortlich.

Zitat
Bleiakkus beginnen nun zu gasen. In gerigem Umfang ist das sogar erwünscht, um Korosionsprozesse umzukehren,

Geht nur bei solchen mit flüssigem Elektrolyt, z.B. Autobatterien, auch nur zu empfehlen, wenn das System offen ist.
Gänzlich unzulässig ist es bei Gel-Akkus.

Da man die Dauer der Gasung nicht überwachen kann, wenn man nicht dabei ist, würde ich auch bei o.genannten unter der Gasungsspannung bleiben.
I.A. sind Laderegler und auch Automatik-Ladegeräte schon so eingestellt.

Gruß, A.
Erdorf
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 11.12.2011 - 17:59 Uhr  ·  #3
Hallo XXLRay,

Danke für deinen Beitrag, gut und einfach erklärt.

Hallo Windfried,
Zitat
Die durch das Induktionsgesetz begründete Ind.-Spannung steigt mit der Drehzahl linear weiter an.

Kann Sie bei angeschlossenem Akku nicht.

Es ist so, wie XXLRay es beschreibt, eine Spannung kann sich nur bei entsprechendem Widerstand aufbauen.
Bei angeschlossenem Akku, kommt das nicht zustande, weil die erzeugten Elektronen sofort in den Akku fließen (Strom).
Also anstelle von Spannung entsteht dann Spannung und Strom.
Den Strom kann man ausrechnen, indem man die theoretische Leerlaufspannung (die ja nicht entsteht),
die Widerstände und die aktuelle Akku Spannung berücksichtigt.

Gruß Frank
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 11.12.2011 - 18:50 Uhr  ·  #4
Dass die Spannung durch den Stromfluss über die Akkuzellen abfällt ist ja richtig, nur ist deren Innenwiderstand ja extrem gering. Es kann also dort im Vergleich kein nennenswerter Spannungsfall festzustellen sein. Das würde also nicht erklären, warum sich am Generator bei Belastung eben kein linearere Spannungsanstieg messen lässt.
Windfried
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 11.12.2011 - 20:01 Uhr  ·  #5
Zitat geschrieben von Erdorf

Hallo XXLRay,

Danke für deinen Beitrag, gut und einfach erklärt.

Hallo Windfried,
Zitat
Die durch das Induktionsgesetz begründete Ind.-Spannung steigt mit der Drehzahl linear weiter an.

Kann Sie bei angeschlossenem Akku nicht.

Es ist so, wie XXLRay es beschreibt, eine Spannung kann sich nur bei entsprechendem Widerstand aufbauen.
Bei angeschlossenem Akku, kommt das nicht zustande, weil die erzeugten Elektronen sofort in den Akku fließen (Strom).
Also anstelle von Spannung entsteht dann Spannung und Strom.
Den Strom kann man ausrechnen, indem man die theoretische Leerlaufspannung (die ja nicht entsteht),
die Widerstände und die aktuelle Akku Spannung berücksichtigt.

Gruß Frank


Zitat
Es ist so, wie XXLRay es beschreibt, eine Spannung kann sich nur bei entsprechendem Widerstand aufbauen.

Und welcher Strom bitte wäre das bei einer Akkuzelle?

Während man bei der Henne und dem Ei sich ja streiten kann, wer zuerst da war -
Grundsätzlich ist die Spannung die Ursache für den Stromfluss. Selbst wenn bei Ruheinduktion (Transformator) eine Spannung durch Stromfluss entsteht,
Dieser Stromfluss muss primär eine Spannung zur Ursache haben.

Also, die Ind.-Spannung EMK wird einfach dadurch erzeugt, dass sich Leiter im Magnetfeld bewegen oder durch die bewegung sich die Flussdichte in einer Spule ändert.
Sie tritt an den Klemmen des Gener. nur bei Leerlauf zutage.
Bei Belastung wird die Klemmenspannung (nicht die EMK) verringert durch den Spannungsfall am Innenwiderstand. (aktiver zweipol)

Spannungfälle an äußeren Widerständen durch Stromfluss sind schon wider sekundär und Teil des passiven Zwiepols.

Neben den Gesetzen der Induktion und den Gesetzen der Zellenspannung des Akkus (Elektrochemie) gibt es natürlich noch eines, was gleichzeitig wirkt: Der Energieerhaltungssatz.
Sprich, die Drehzahl kann nur so hoch steigen, wie mechan. Energie nachgeeliefert wird, die der Akku gern speichern würde.
Deshalb laufen einfache Lademaschinen in der Drehzahl eben nicht so hoch, wie es von der Nenn-Tsr zu erwarten wäre.
Die Summe aller Widerstände ist einfach zu klein, um die Erhöhung der EMK als Spannungsfall wieder ab zu bauen.
Externer Zusatzwid. könnte helfen, bringt aber Verluste. Wenn damit das Brauchwasser erwärmt wird - o.K.

Vielleicht bringe ich dazu auch noch mal ein Schema in Form eines Schaltplanes.
Ewig will ich mich aber nicht damit ab geben.

@ Ray
Zitat
Dass die Spannung durch den Stromfluss über die Akkuzellen abfällt ist ja richtig, nur ist deren Innenwiderstand ja extrem gering. Es kann also dort im Vergleich kein nennenswerter Spannungsfall festzustellen sein. Das würde also nicht erklären, warum sich am Generator bei Belastung eben kein linearere Spannungsanstieg messen lässt.

Es ist die Summe aller Widertände.
Auch lässt sich die Ind.Spannung EMK bei Belastung nicht mehr messen. Nur noch rückrechnen.

Schöne Woche also,
Gruß, W.

Gruß, W.
Erdorf
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 11.12.2011 - 21:51 Uhr  ·  #6
Hallo Windfried,

irgendwie hast du ja recht und so ganz sicher bin ich mir auch nicht.

Ich finde es deutlich anschaulicher ist es wenn nur man die, einfach messbare Elektrische Spannung betrachtet.
Diese kann sich beim angeschlossenen Akku nun mal nicht in der Größenordnung der "EKM" aufbauen.

XXLRay beschreibt hier als Ursache die Magnetische Kraft die auf die Elektronen wirkt.

Ich vergleiche das mal mit einer Aufziehfeder in einem Spielzeug Auto.
Solange wie die Reifen blockiert sind kann ich mit meiner Kraft die Spannung in der Feder erhöhen.
Sind die Reifen frei, drehen sich die Reifen unmittelbar.
(Ursache Spannung, Wirkung Reifen drehen).
Tatsächlich schaffe ich es dann aber nicht die Federspannung in ähnlicher Größe wie bei blockierten Reifen aufzubauen.

Vermutlich ist es 'nur' eine Betrachtungsweise.
Tatsächlich halte ich beide Betrachtungen genauso gut geeignet den Zusammenhang zu verstehen,
zu beschreiben und im Detail zu berechnen.

Ich finde diese Diskussion mit dir sehr interessant.

Wie siehst du das denn bei einem anderen Beispiel?

Ein Eimer Wasser in 10 Metern Höhe und einem Schlauch bis auf den Boden und einem Wasserhahn.
Ich habe am Boden einen Statischen Druck, wenn ich den Wasserhand zu mache.
Wenn ich denn Wasserhahn aufmache habe ich keinen Druck mehr, dafür fließendes Wasser.
Ursache Druck, Wirkung fließendes Wasser.
Ich kann auch einen dynamischen Druck messen, damit rechnen, Bernoulli, ...

Aber ist der statische Druck denn Wirklich die Ursache?
Nein, Ursache ist die Erdanziehungskraft, die Kraft.
Der Druck entsteht nur wenn ich der Kraft einen Widerstand entgegensetzte.
Tue ich das nicht, entsteht erst gar kein Druck sondern direkt Fluss.

Meiner Meinung nach ist die elektrische Spannung schon eine sekundäre Größe,
die primären Größen und die wirklichen Ursachen für 'Bewegung' sind die Kräfte.
Deswegen meine ich das eine Spannung im Falle eines angeschlossen Akkus nicht entsteht,
sondern direkt Strom.

Was meinst du?

Gruß Frank
Windfried
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 03.01.2012 - 21:31 Uhr  ·  #7
Hallo Frank,

habe mir etwas Zeit gelassen. Man soll sich durch Foren ja nicht gedrängt fühlen. Auch ist die Materie wieder sehr komplex, wie wohl alles bei der WK-Gewinnung.

Zitat
Was meinst du?
Nun, Meinung allein ist nicht alles. Auf fundierte Meinungen kommt es an, die möglichst andere auch schon gehabt haben. Die möglichst mit Fachbüchern überein stimmen.
Manchmal sagen aber auch 2 etwas verscheidenes und meinen doch irgendwie das Selbe. Wird hier auch mehrere Wahrheiten geben, jede für Ihren Gültigkeitsbereich.

Mit der Ind.-Spannung EMK wird es wohl so bleiben müssen, wie von mir erwähnt.
Die Ladungdträger werden nach dem Indukt.-Gesetzt getrennt und vereinigen sich wieder (Wechselstrom!). Ob da nun ein Widerstand anliegt oder nicht.
Die EMK ist ansich auch erst mal linear der Drehzahl, konstantes B voraus gesetzt. Dass letzteres wohl doch nicht so bleibt, da beginnt schon die 2 Wahrheit.

Unter Annahme B= const. habe ich mich Deinem Bild vom den Wassersäulen angenähert und eine Skizze gemacht.
Geht nur bedingt. deshalb folgende Annahmen:


1. Um die EMK besser zu händeln (Wechselspannung!) diese gleichgerichtet aus Drehstrom angenommen bzw. Generator gleich als Gleichstromgenerator (mit Kohlebürsten).
2. Summe der elektrochemischen Zellenspannungen beim Laden mit 13,4 V angenommen + 0,3 V für eine Shottky-Rückfluss-Verhinderungsdiode = 14V
Dass das nicht ganz konstant bleibt, wissen wir ja. Forum/cf3/topic.php?t=3653 Änderungen bezüglich System aber nicht riesig.
3. Das Akku-Gefäß vergrößert sein Volumen bei Ladung (durch einen Faltenbalg etc.), da die "Füllhöhe" ja elektrochemisch fest liegt.

Habe mich daran erinnert, dass man lineare Systeme durchaus auch zeichnerisch lösen kann und habe etwa Folgendes maßstäblich eingetragen:

Ri_Generator 0,8 Ohm
R_Zuleitung 0,2 Ohm (15m Doppelleitung 2,5² Cu)
Ri_Akku 0,015 Ohm (10-fach überhöht, aber sonst sieht man nichts)
Ladung ab 3 bis 12 m/s

Hier die Skizze, verbunden mit der leidigen Erkenntnis, dass andauerndes Darstellen am Computer die Fähigkeit zur Handzeichnung nicht unbedingt fördert:



2 Zustände eingetragen: Ladebeginn und Zustand bei 2400 u/min

Ob die 2400 erreicht werden, bleibt fraglich. Immerhin müssen über ges. etwa 1 Ohm 42 V verbraten werden.
Dazu 42 A notwendig. Klemmenspannung U_k dabei allerdings nur ca. 28V. Leistung _el dabei 1176 W
Verlustleistung genauso groß, da Spannung gerade fifty/fifty. Wirkungsgrad auch.

Ob der Generator das aushält und ob das energetisch nachgeliefert wird - immerhin dachte ich so an ne 300-600W-Anlage ?
Eher wohl nicht.
Die WKA wird sich bei 12 m/s in der Drehzahl dort hängen bleiben, wo energetische Gleichheit herrscht.
Vielleicht irgendwo bei 1200 u/min.
Das wäre auch gut für den Gener., denn dann fließen nur noch 14A, Klemmenspannung 19V, macht 266W, am Akku etwas weniger.
Typische Werte für ne 300W-Anlage.

Das Hängenbleiben in der Drehzahl mit Konsequenz etwa halbe Nenn-TSR kann von HAWT noch ganz gut vertragen werden.
Anstellwinkel dann z.B. von 6° auf 12°. Noch kein Strömungsabriss, doppeltes Drehmoment. Vielleicht Randwirbel-geräusche.
Beim Darrieus, besonders als Langsamläufer, wird das nichts. Da werden die Profile ja bei Nenn-TSR schon vergewaltigt.

Was kann man nun machen, wenn man bei 12 m/s auch noch Nenn-TSR haben möchte?

System-Widerstände vergrößern?
Innenwiderstand des Generators? Eher nicht.
Zusatzwiderstand oder lange Zuleitung? Möglich, ist aber auch nicht so schee. Soll ja ne Lademaschine werden und keine Heizmühle.

Ein Ladewechselrichter könnte Abhilfe schaffen, denn der kann mit hochlaufenden Spannungen umgehen, bei niederer Strömstärke.
Da geht auch gleich der Generatorwirkungsgrad hoch.
Aber sowas für ne 300W-Anlage?

Nun laufen Anlagen wie die Black als einfache Lademaschinen ohne Wechselrichter doch wohl ganz gut oder doch nicht so? Forum/cf3/topic.php?p=19592#real19592 Nehmen wir mal an, die haben alle nur den falschen Standort.

Nun wird in der Praxis eine weitere Wahrheit wirksam sein, denn über Streufelder, Feldverdrängung und gar Sättigung haben wir bisher noch garnicht gesprochen.
Die Idee kam mir, als ich mich an spezielle Bauarten von Schweißtransformatoren erinnerte.
Auch da braucht man eine fallende "weiche" Kennlinie, damit der Elektrodenkurzschluss beim Zünden kein echter Kurzschluss wird.
Auch Klingeltrafos haben diese Bauart und sind damit kurzschlussfest. Ladegeräte meist auch. Ist das so richtig, Frank? 8-)

Hängt mit dem Kopplungsfaktor zusammen.
Anstatt Definitionen anbei eine Skizze:



Wenn die Spulen dicht zusammen sitzen, ist der Kopplungsfaktor hoch. Bei "steifem Netz" sinkt die Sekundärspannung bei Stromfluss nur mäßig.

Im 2. Bild sind sie auf einem L-L Kern weiter weg. Bei belastung kann sich durch das Streufeld ein magnet. Nebenschluss bilden. Der wird teilweise sogar noch durch einen sog. Streukern provoziert, der an der Stelle mehr oder weniger eintaucht.
Die Wirkung ist wie bei einem höheren Innenwiderstand, nur dass der nicht als Wirkwiderstand auftritt, also keine Verlustwärme erzeugt.
Ursache ist die Feldschwächung in der Sekundärspule.

Zurück zu Generatoren für WKAs:
Speziell bei Generatoren ohne Eisen in den Spulen kommt es auch zu solchen magnet. Fehlschlüssen, im folgenden Bild "Streufeld" genannt.



Die Streuflüsse nehmen nach meiner Überzeugung durch das Gegenfeld, was der Spulenstrom erzeugt, zu (Feldverdrängung).
Damit stehen sie nicht mehr zur Induktion zur Verfügung, d.h. das ursprüngliche B wird vermindert. Dadurch wesentlich mehr, als meine ausgerechneten 2,5%. Forum/cf3/attachment_processor…le&id=1010
Die Induktionsspannung EMK sinkt und ist nicht mehr lin. zur Drehzahl. Es muss also weniger überschüssige Spannung verbraten werden.
Wirkt wie ein größerer Innenwiderstand, nur ohne Verlustleistung.

Diese Möglichkeit zum Nebenschluss scheint mir bei Magnetanodnungen, die dicht beieinander liegen bzw. systembedingt liegen sollten - also bei 4:3-Systemen und 1:3-Systemen - mehr gegeben als beim klassischen 2:3-System Forum/cf3/topic.php?p=23997#real23997 ff.
Anordnungen, bei welcher nur 1 Eisenscheibe Magneten trägt und die andere nur den Rückschluss bildet, erscheinen mir zusätzlich vorteilhaft.

Bei Spulen mit ferritischem Kern erscheint die Möglichkeit auch eingeschränkt. Da müsste man das Thema Sättigung erörtern.

Mein Fazit:

Eisenlose Generatoren scheinen auch wegen der zu erwartenden Feldverdrängung bei höheren Strömen besondere Eignung für einfache Lademaschinen zu haben.
Bei Generatoren mit ferritischem Spulenkern erscheint auch zum Batterieladen ein Wechselrichter zum Kennlinien-Angleich empfehlenswert.
Diese Generatoren zeichnen sich i.A. durch höhere Wirkungsgrade aus.

Na, konntet Ihr mir noch folgen? Einfacher isses leider nicht. Zum Trost: Elektromaschinenbauer ist ein Studienfach.
Ich habe es nicht belegt.

Zum Schluss die Bemerkung, dass jede Theorie nur so gut ist, wie sie durch die Praxis belegbar ist.

Grüße, W.
Erdorf
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 09.01.2012 - 16:11 Uhr  ·  #8
Hallo Windfried,

Ich habe mir deine Post mehrmals durchgelesen und wieder viel gelernt.
Zitat geschrieben von Windfried
Mit der Ind.-Spannung EMK wird es wohl so bleiben müssen, wie von mir erwähnt.


Du hast recht, das genau ist mein Denkfehler gewesen.
Es ist richtig, ich muss zwischen erzeugte Spannung (EMK) und Spannungsabfall (an den Widerständen und an dem Akku) unterscheiden.

Die EKM ist, wie du sagst die Ursache für den Stromfluss und muss immer vorhanden sein, sonst fließt nichts.
Der Stromfluss und die Widerstände sind dann Ursache für den Spannungsabfall an den Widerständen.
Alles andere würde z.B. Kirchhoffsch widersprechen.
Alle meine mechanischen Beispiele 'hinken' irgendwie und ich hoffe dieses Verständnis nicht mehr zu verlieren.

Danke dass du dich mit meinem 'gedanklichen Knoten' auseinander gesetzt hast.

Gruß Frank
Windfried
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 09.01.2012 - 18:35 Uhr  ·  #9
Hallo Frank,

Zitat
Danke dass du dich mit meinem 'gedanklichen Knoten' auseinander gesetzt hast.


Der Norddeutsche würde sagen - da nich für.

Andererseits, wer andere plausibele Denkmodelle hat, von denen nicht nur er überzeugt ist, gerne.
Auch ist es der Natur bzw. realen Technik Wurscht, was wir Menschen darüber denken.
So ist das z.B. mit dem Stromfluss extern von + nach - (oder doch Elektronenfluss von - nach + ?) reine Definitionssache.

Was mich noch interessieren würde, und andere vermutlich auch: Wie ist ein Netzwechselrichter eigentlich R_i-mäßig ein zu schätzen?

Gruß, Andreas
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 09.01.2012 - 20:54 Uhr  ·  #10
Das habe ich mich auch schon des öfteren gefragt. Grundsätzlich müsste das ja aber variabel sein, sonst könnten abgegriffene Leistung und Lastspannung des Generators ja nicht angepasst werden dennd as geht ja letztlich nur über eine Änderung des Widerstandes...zumindest muss das dem Generator so "vorkommen" ...

Gruß
Max
Erdorf
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 10.01.2012 - 00:07 Uhr  ·  #11
Hallo zusammen,

Netzwechselrichter pulsen: siehe Pulsweitenmodulation.

Prinzip:
Durch kurze Pulse, in denen dann Strom fließt, wird der Generator immer gerade so belastet wie gerade nötig.
Durch kurze Pausen, in denen kein Strom fließt, wird der Generator entlastet, wie gerade nötig.

Typischerweise wird das Puls/Pause Verhältnis geregelt. Die Frequenz liegt Typischerweise kHz Bereich.
Durch die hohe Frequenz kommt es dem Generator dann tatsächlich vor wie ein variabler Widerstand.
Im Detail ist es gerade beim Netzwechselrichter noch komplexer,
weil die Energie auf die Netzfrequenz synchronisiert abgegeben werden muss.

Gruß Frank
Windfried
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 18.01.2012 - 23:56 Uhr  ·  #12
Ja, die Pulsweitenmodulation ist die digitale Technik, die eben im Gegensatz zur analogen hohe Verlustleistungen vermeidet.

Bei den Wechselrichtern gibt es, historisch gewachsen, verschiedene Entwicklungsstufen.
Als bereits recht modern für PV würde ich den auf S. 19 unten in dieser Quelle bezeichnen http://www.et-inf.fho-emden.de…olar_3.pdf
Für Generatorbetrieb gehört noch ein Gleichrichter davor, bei 2-Phasen-Wechselstrom sicher auch ein Ladekondensator nach der Gleichrichtung.
Wenn die Induktivität vom Hochsetzsteller - hier als Flusswandler - als HF-Übertrager gebaut ist, hat man sogar galvanische Trennung.

Inzwischen gibt es ja ganz ausgebuffte Schaltungen.
So verzichtet man für Drehstromgeneratoren nicht nur auf den Ladekondensator nach der Gleichrichtung. Würde mich nicht wundern, wenn man mit den Schalt-MOSFets in den Brücken auch gleich die Gleichrichtung erledigt und die Aufwärtswandlung der Spannung auf Netzniveau.
Das vermindert Flussspannungs-Verluste und Kosten.
MP-Tracking, Kennfeldsteuerung oder TSR-Optimum-Regelung ist eine Sache der Ansteuerung.
Einfach ist das alles nicht!

Noch ein Wort zu Widerständen:
Wenn man den gesamten Wechselrichter zwischen Drehstrom-Generator (oder auch 2-Pasen-Generator) und Netz als Black-Box betrachtet, so dürfte er das Verhalten eines Transformators mit veränderlicher Übersetzung haben. Von Wandlung der Frequenz mal abgesehen.
Beim Transformator werden die Anschlusswiderstände (eigentlich Impedanzen) mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses transformiert. Rs/Rp=ü²

Habe gerade mal meinen Netzwiderstand an der Steckdose bestimmt.
Spannung o. Belastung 227V. Nach Belastung mit 2000W Heizlüfter 223V. 2000VA/230V=8,7A ; Delta_U=4V ; R_i=4V/8,7A= 0,46 Ohm

Wenn der Generator z.B. gerade 46Veff liefert, wäre das ein Übersetzungsverhältnis von ü=5 und der Netzwiderstand würde am Generator
mit Rp = Rs/ü² erscheinen, also mit 0,018 Ohm.
Liegt in der Größenordnung eines 12V 100 Ah Akkus. Kommt allerdings noch der Innenwiderstand des Wechselrichter selbst dazu. Der dürfte aber auch recht klein sein, sonst sind Wirkungsgrade über 90% nicht möglich.

Staune selber, was man so alles berechnen kann. Ob es hilft? Ich kann es nicht überblicken.

Gruß, W.
Windfried
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Lade-Schaltregler

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Gepostet: 21.02.2012 - 22:33 Uhr  ·  #13
Will das nochmal aufgreifen, was ich im Beitrag 7 geäußert habe:

Zitat
Was kann man nun machen, wenn man bei 12 m/s auch noch Nenn-TSR haben möchte? ......
Ein Ladewechselrichter könnte Abhilfe schaffen, denn der kann mit hochlaufenden Spannungen umgehen, bei niederer Strömstärke.
Da geht auch gleich der Generatorwirkungsgrad hoch.


Vorweg gesagt - gibts schon. Zumindest haben sich Leute im Nachbarforum dazu kluge Gedanken gemacht und auch realisiert. Komme gleich drauf.

Zuvor aber mal paar erklärende Rechnungen:
Wenn es also so ist, wie beim Generator im Beitrag 7, dass der nur 14A verträgt, bei 12m/s und Nenn-TSR aber 42A fließen würden,
könnte man doch einen schnellen elektronischen Schalter - ein FET - in einer Schaltperiode immer nur 14A/42A=0,33 Schaltperioden ein schalten.
Bekäme man auch nur einen Spannungsfall im Generator von 14A*0,8V/A=11,2V und damit nur eine Verlustleistung von 14A*11,2V=157W. Bei 42 A wären es 3 mal so viel.

Die Klemmenspannung am Gener. wäre auch höher. Irgendwo muss doch die Leistung herkommen, wenn schon der Strom niedrig bleibt.
Wird sich mischen, je nach Anteil der leitenden Phase.
Im Leerlauf, FET gesperrt, hier 56V.
Wenn Stromfluss 56V-11,2V=44,8V.
Differenz 11,2V*0,33 Zeitanteil Fluss =3,7 V ; von 56V subtrahieren = 52,3 V - Gleichspannungs-Generator angenommen.
Beim Drehstromgenerator nach der Gleichrichtung.
Da Theorie hier allerdings grau, sind Messungen angesagt.

Nun gibt es allerdings noch ein paar Probleme:
1. In der Leitphase vom FET würde im Generator nach Rechnung immer noch 42A fließen. Nicht gut für den Wirkungsgrad.
2. Wie hält der Akku ständiges Unterbrechen vom Stromfluss aus?
3. Direktes Umschalten der Ladung zwischen 2 Kapazitäten - macht man nicht.

All das wird in dem folgenden Link recht gut gelöst, wenn ich auch in der Ansteuerung Verbesserungsmöglichkeiten sehe.

Vorweg nehmend ist das eigentlich keine MPPT- Einrichtung.
Wenn es zu einer Kennlinien-Anpassung auerodynamisch-elektrisch kommt, könnte man der Wirkung nach allerdings davon sprechen können.
Ergebnis wäre konstantes TSR-Optimum über einen großen V_w - Bereich.
Die vorgestellte Schaltung ist auch kein Regler, sondern eher ein durch die Eingangsspannung geführter digitaler Widerstandssteller mit Wirkung ähnlich einem stellbaren Vorwiderstand, nur mit wesentlich weniger Verlustleistung.

Wer keine leidliche Erfahrung mit analoger Schaltungstechnik hat, für den wird es ab jetzt leider problematisch.
Hier nämlich die Gesamtschaltung in höherem Stadium, in die der <Wolle> für den <Andreas> schon dessen Änderungen mit eingearbeitet hat, mit mindestens 2 kleinen Fehlern http://www.daswindrad.de/forum…=60#p13533 . Bild 121.bmp runter laden und nachfolgenden Kommentar lesen!
Bei einem Drehstromgenerator käme noch ne Diodenbrücke dazu.

Sehr gut gelöst ist die Pulsweiten-Modulation (PWM) mit Sägezahnerzeugung mittels LM 555 und mehr oder weniger Freigabe der Sägezähne im Komperator vor der FET-Ansteuerung. Taktfrequenz übrigens 30kHz. Elegant die Erzeugung von -5V mit dem 555 als Nebeenprodukt.
Am Eingang ein Ladekondensator, am Ausgang ein Glättungskondensator. Vor letzterem eine Induktivität. Die ist nicht nur zur Vermeidung allzu hoher Stromspitzen bei Kondensatorumladung da oder Teil eines Oberwellen-Filters. Nein, das ist regelrecht eine Speicherdrossel, die dann, wenn das FET schließt, die gespeicherte magnetische Energie über die Schotky-Diode (wir haben 12V!) an den Akku abgibt.
Die muss ausreichend strombelastbar sein und der Kern darf nicht in die Sättigung kommen. Wenn dem so ist, hat die Einrichtung einen Wirkungsgrad von geschätzten über 90%. Die Kondensatoren - ob in der Größe bei 30 kHz notwendig, muss probiert werden - müssen nach Auskunft des Autors für schnelle Umladung geeignet sein, einen geringen elektronischen Serienwiderstand (ESR) haben. Aufteilung in mehrere kleinere Kondensatoren sinnvoll.
Schaltung wohl bis 10A Ladestrom belastbar. Wenn höher - mehrere FETs parallel schalten.

PWM und Leistungsteil aus meiner Sicht also gut gelöst.
Die Ansteuerung erscheint mir etwas gekünstelt.
Philosophie ist, den Generator erst ab einer bestimmten einstellbaren Spannung zu belasten. Grund: "Auch bei Ladebeginn-Spannung kann ein Windrad schon abgewürgt werden", so der Autor.
Würde ich anders lösen.
Ladebeginn soll schon wie üblich durch die Akkuspannung bestimmt werden.
Wenn dann schon zu viel Stromfluss, so wird einfach mit der Pulsweite nicht bei 100% begonnen, sondern entsprechend weniger.
Auch würde ich den Stromfluss am Ausgang erfassen, mittels OPV in eine Spannung umwandeln und in entsrechender Größe am IC4B - negat. Eingang - zum Vergleich mit der Lade-C-Spannung rückführen. Dann wird daraus eine spannungsgesteuerte Ladestrom-Regelung.
Auch dafür muss man die aerodyn. Anlagenkennlinie bestimmt haben oder man probiert rum.
Ist dann ähnlich wie die lineare Übertragungs-Kennlinie vom <Windmaster600>, die ja auch nur aus 2 Punkten besteht.

Da die Anlagenkennlinie aber nicht linear ist, würde ich wohl eine TSR-Optimum-Regelung daraus machen. Ist ja das eigentliche Ziel.
Da braucht man die Kennlinie garnicht kennen. Man braucht allerdings einen separaten Windgeschwindigkeits-Geber.

Einrichtungen zur Sicherung gegen Überspannung am Eingang, gegen Überstrom und Kurzschluss des Akkus müssen eh noch ergänzt werden.
Ob für Ersteres ein Thyristor am Eingang - sie haben einen Gleichstromgenerator - mit 2x20V Z-Dioden in Reihe zur Auslösung bei 40V funktioniert, da habe ich Bedenken. Auslösen wird er schon, aber wann sperrt er wieder? Erst bei fast Windstille? Gut, safty first.

Da in Akkus ne Menge Energie gespeichert ist, gehört in den Kreis auf jeden Fall ne Schmelzsicherung. Macht das jeder?
Umschalten auf Ersatzwiderstände, wenn Akku voll, muss auch realisiert werden.

Ich war mal Elektronikbastler. Das Spektakulärste war wohl ein elektronisches Fischfanggerät. Elekrofischen, nur tragbar.
Habe das Basteln irgendwann bleiben lassen, da es ja inzwischen alles käuflich gab, und davon viel zu viel.
Immerhin ist aus der Zeit ein 2-Strahl-Oszi übrig geblieben. Ohne Oszi sollte man sich an solche Projekte übrigens nicht ran wagen.

Könnte sein, es gibt doch nicht alles, und wenn, dann zu teuer.
Will sagen, wenn sowas gebraucht wird - ausgerüstet bin ich eigentlich. 8-)

Kürzer gings wieder mal nicht. Gibt das Thema nicht her.

Gruß vom Windfried
Erdorf
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 21.02.2012 - 22:48 Uhr  ·  #14
Hallo Windfried,

Zitat geschrieben von Windfried

Da in Akkus ne Menge Energie gespeichert ist, gehört in den Kreis auf jeden Fall ne Schmelzsicherung. Macht das jeder?


Mit Sicherheit: nein

Wenn der Laderegler es nicht nötig hält eine Sicherung einzubauen, selbst schuld, dem Akku wird es egal sein.
Was dann letztendlich als "Schmelzsicherung" dient ist dem Zufall überlassen, außer dass der Akku nicht schmilzt ...

Gruß Frank
XXLRay
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 22.02.2012 - 07:28 Uhr  ·  #15
Windfried
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 22.02.2012 - 16:22 Uhr  ·  #16
In Verbindung mit den zugeordneten Leitungsquerschnitten und zulässigem Höchststrom - vielleicht. Optional noch den Widerstand für 1 m pro Leiter.
Ruhig bei Grundlagen rein, denk ich.

@ Erdorf: Ist der Laderegler Deiner Meinung nach eigentlich eine natürliche oder eine juristische Person? :D

Gruß, W.
donni
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 07.02.2013 - 22:45 Uhr  ·  #17
Könnte man einen 12V Akku (Autobatterie) auch mit 24V laden oder geht der Akku kaputt??
Wenn ja, was sollte man beachten oder
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 08.02.2013 - 05:36 Uhr  ·  #18
In der Regel hat ein Akku einen so geringen Innenwiderstand, dass die Generatorspannung auf 12V zusammenbrechen wird. Außerdem wird das Windrad schon zu früh belastet. Statt dass es munter bis 24V auf seine Nenndrehzahl hochdrehen kann, wird es schon ab 12V außerhalb seines optimalen Arbeitspunktes gebremst. So wird man vermutlich nie einen guten Wirkungsgrad erreichen.
donni
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 10.02.2013 - 12:53 Uhr  ·  #19
Achso dann sollte ja mit dem Akku nicht passieren, solange man einen Laderegler verwendet und er läd sich ganz normal auf.
Menelaos
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Re: Wie läd ein Windrad einen Akku

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Gepostet: 10.02.2013 - 13:25 Uhr  ·  #20
das hat mit dem Laderegler wenig zu tun. Ein normaler Laderegler unterbricht nur den Ladevorgang zur Batterie wenn diese voll ist und stellt fest wann das der Fall ist.

Es gibt auch Kennliniengesteuerte Laderegler, diese sind aber sehr teuer und noch recht selten bei Akkuladung.

Letztlich kommt es also auf eine gute Abstimmung von Rotor und Generator an und auch DInge wie Akkugröße und Zustand spielen dabei eine Rolle.

So kann es auch eine Fehlanpassung sein wenn der Generator einen zu geringen Innenwiderstand hat. Zwar entstehen dann wenig Verluste im Statur des Generators aber die Lastlinie ist zu steil so dass man externe Widerstände zur Anpassung zwischenschalten muss da der Rotor sonst abgewürgt würde...

Gruß
Max
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