Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

 
~Matthias~
 
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Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 20.05.2016 - 15:02 Uhr  ·  #1
Hallo Allerseits,
ich beginne gerade meine Bachelorarbeit in Maschinenbau und will eine Bauanleitung über eine kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten erstellen. Anspruch der Arbeit ist, dass diese auch für Laien verständlich sein soll und aus so einfachen und günstigen Komponenten (am besten Schrott) wie möglich aufgebaut sein soll, dass diese an quasi jedem urbanen Ort auf der Erde gebaut werden kann. Im Vorfeld habe ich mir kaum Gedanken über die elektronischen Komponenten gemacht, sondern in bester Maschinenbauer-Manier nur Gedanken über die einfachst und bestmögliche Lagerung und Rotorart gemacht und gedacht, die elektrischen Komponenten wird es ja schon irgendwie geben... Bei mir ist leider nicht mehr so viel aus meiner Erstsemester-light-Elektrotechnik-Vorlesung hängengeblieben und bin gerade dabei mich wieder rein zu arbeiten. Ich würde mich über Hilfe sehr freuen, denn selbst wenn ich mich wieder rein gearbeitet habe, werde ich nicht das know-how und vor allem nicht die Erfahrung die für eine bestmögliche Umsetzung nötig sein werden.

Die erforderlichen Komponenten sind so weit ich das jetzt überschauen kann:
- Savonius Rotor
- Permanentmagnetgenerator (Gleich- oder Wechselstrom)
- Gleichrichter (ggf.)
- Spannungsbegrenzer auf 5V
- Strombegrenzer auf 1A
- USB-Anschlussbuchse der 5V, 1A haben soll und mit kurzgeschlossenen Datenkabeln um auch IPhones laden zu können

Erste Idee:
- Generator: Fahrraddynamo, Schrittmotor aus z.B. Druckern
- Gleichrichter: Brückengleichrichter (entweder fertig als B100C5000 o.ä.) oder aus vier Dioden mit parallelen Kondensatoren
- Spannungsbegrenzer: IC 7805 oder von Recom
- Strombegrenzer aus zwei Transistoren und zwei Widerständen

Meine Fragen:
1. Wie würdet ihr mit möglichst billigen und überall verfügbaren Komponenten die Anwendung vom Generator bis zum USB-Anschluss lösen? Bzw. gibt es vielleicht schon fertige Bauteile die irgendwo verbaut sind, die man verwenden kann. Oder könnte man -naiv gefragt- den Generator an einem normalen USB-Ladegerät für die Steckdose anschließen?

2. Wie findet ihr die von mir grob skizzierte Schaltung? Welche Verbesserungsvorschläge habt ihr im Sinne der möglichst billigen und überall verfügbaren Komponenten?

3. Welche Elektromotoren/Generatoren würdet ihr Vorschlagen und in welchen Geräten wären diese Verbaut aus denen man sie 'zweckentfremden' könnte? Gerne auch Ideen wo man Generatoren mit 4, 6 oder 8 Polen findet, um möglichst schon bei geringen Drehzahlen die Nennleistung zu erreichen.
Günther
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 21.05.2016 - 01:38 Uhr  ·  #2
Hallo Matthias!
Da ich öfters von Studenten, Lehrern und Schülern nach dem Bau eines einfachen Windrads, möglichst zum Akkuladen mit USB-Anschluss, gefragt wurde, habe ich in den letzten Wochen zwei Muster-Ausführungen gebaut: Eine ganz aus Metall, eine fast nur aus Kunststoff. So kann jeder je nach Geschick und Werkzeug sich selbst ein Outsdoor-Windrad bauen, geignet für 12 V-Akkuladung oder über USB-Buchse zum Laden von Powerbanks, Campingleuchten oder Handys. Text und Layout sind fast fertig, ich hoffe in 4 - 5 Wochen die kompletten Bauanleitungen mit vielen Fotos als E-Book fertig zu haben.
Vorab schon mal zwei Fotos von meinen "Bastelobjekten".
Grüße von Günther
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soderica
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 21.05.2016 - 11:29 Uhr  ·  #3
hallo und Willkommen im Forum
Willst Du den erzeugten Strom direkt verwenden, also ohne Zwischenspeicherung ( Batterie ) nach dem Prinzip, wenns bläst bekomme ich Strom?

Als Generator gibt es da ja einiges was verwendet werden kann, jedoch sind die Kleingeneratoren wie Fahraddynamos in der Leistung schon etwas schwach. Druckermotoren sind da schon etwas besser geeignet und bringen je nach Typ genügend Leistung. Interessant sind Kleingeneratoren die 12 Volt liefern. Hier kannst Du einfach eine 12 Volt USB Buchse vom Zigarettenanzünder einsetzen und die Kleinverbraucher direkt anschliessen.
DC Generator 12 V ( Akkubohrmaschine, 12 V Teichpumpe, Motor aus Elektrobike, Elektroskooter usw. ) 2 Verbindungsdrähte, USB Autobuchse und natürlich einen entsprechenden Repeller ( bringt mehr Leistung als ein Vertikal Rotor ).
Carl
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 21.05.2016 - 13:44 Uhr  ·  #4
Wenn Geräte jederzeit mit USB Anschluss geladen werden sollen und nicht nur, wenn zufällig zum gleichen Zeitpunkt ausreichend Wind zur Verfügung steht kann man vorteilhaft in einem Akku zwischenspeichern und hat auf Abruf meist genug Saft.

Der Akku hat den Vorteil, dass er auch mit unterschiedlichen Strömen (unsauber) geladen werden kann bis er ganz voll ist. Nach Erreichen der maximal empfohlenden Ladespannung sollte eine Zehnerdiode den überschüssigen Strom in einen Kleinverbraucher (evtl.Glühbirne) entsprechend der maximalen Generatorleistung einleiten, das ist beim Nabendynamo optimal weil er baubedingt für Fahrräder eh nie mehr als 5 W hergibt.

Zumal beim Nabendynamo die Lagerung stark und für den oben genannten Einsatz eines Savonius als Vertikalläufer auch achsiale Lasten durch Rotorgewicht locker wegsteckt ist das gute Wahl.

Horizontalläufer haben zweifellos bessere Wirkungsgrade, jedoch wenns nur für`s gelegentliche Handyladen sein soll kann man mit dem einfachen Savonius und Nabendynamos gut zurecht kommen und hat keine Probleme mit der Beschaffung der Teile. Für Ungeübte mit Bau und sachgemäßer Nutzung ist da eben auch weniger Fehlerpotenzial. Es ist immer gut, klein anzufangen.

Mit Naben-Dynamo und einem Savonius - 30 cm breit, 60 cm hoch lassen sich ab 3 m/sec Wind alte Autobatterien dauerhaft ladeerhalten, Ich habe so einmal einen ganzen Sommer lang einen Weidezaun betrieben, Die Autobatterie hatte danach immer noch 12,5 V Spannung wie vorher auch schon. Der Wind variierte die gesamte Zeit zwischen 3/msec im Schnitt und gelegentlichen Spitzen bis zu 6 m/sec.

Natürlich kann man auch direkt eine passernde 5V Powerbank fürs Handy aufladen die Zehnerdiode als Überladeschutz sollte allerdings auch hier mit dabei sein und beim Nabendyn oder Schrittmotor der Brückengleichrichter. Ansonsten - man kann man vor dem Handyladen kurz die Ladespannung der Powerbank prüfen und spart sich so die weitere Elektronik für Unterladeschutz.

St. Exupery hat einmal gesagt, eine Sache ist erst dann gut, wenn man nichts mehr weglassen kann. Stimmt wohl irgendwo.

Kleine Schrittmotore aus Druckern sind gut, leider haben diese meist eine dünne Achse von 5-6 mm Durchmesser und Radiallager, keine auf längs- achsialen Druck ausgelegten Lager wie die Konuslager bei Fahrrädern. Auf Dauer gesehen macht es für Vertikalläufer Sinn, Druck- oder wenigstens Konuslager zu verwenden, die das Rotorgewicht tragen und so weniger Reibungsverluste bei Aufdruck erzeugen als Radiallager.



Druckermotoren wären für Horizontalläufer dann besser geeignet.

Man kann bei den kleinen Schrittmotoren mit Radiallagern allerdings eine Mindestlebenserwartung von 5 Jahren und mehr ansetzen, der Savonius dafür würde mit kleineren Abmessungen von 25cm x 25 cm voll ausreichen. Bei optimaler Leichtbauweise mit Plaste oder Verbundmaterial ist das Gewicht dann vernachlässigbar. So wurde von mir ein Hühnerstall bei Bedarf mit Ledlicht versorgt, über drei 7 Ah NICAD Zellen in Serie. Für das gelegentliche Handy-Aufladen reicht das vielleicht auch.
soderica
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 27.05.2016 - 18:17 Uhr  ·  #5
Matthias Fischer
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 01.11.2023 - 16:45 Uhr  ·  #6
Hallo zusammen,

ich habe mir in den letzten Wochen auch schon öfters darüber Gedanken gemacht, mir mein eigenes kleines Windrad selber zu bauen, weswegen ich mich heute dafür entschieden habe, mich in diesem Forum anzumelden. Ich finde die Idee wirklich extrem spannend.

Ich möchte es am Liebsten auch aus vielen recycelten Bauteilen bauen. Die Modelle von Günther, die er 2016 gepostet hat, finde ich wirklich sehr cool.
Hat jemand hierfür oder für gleichwertige Baugruppen konkrete Bauanleitungen oder Ähnliches? Würde auch etwas dafür bezahlen, um die Arbeit für die Erstellung zu belohnen (solange der Geldbeutel hierfür nicht gesprengt werden muss :-))

Grüße

Matthias
Carl
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 01.11.2023 - 18:37 Uhr  ·  #7
Hallo Matthias,

erst mal willkommen hier und gleich zu Beginn wäre es ideal wenn Du uns posten könntest was für Standortbedingungen Du hast, ob der Wind durch Gebäude oder Bäume und ähnliches gestört (verwirbelt) wird und wie stark er bei Dir wo Du das Windrad aufbauen möchtest gefühlt in etwa bläst.

Wir messen die Windgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde und wenn Du bei dem Wind von dem Du annimmst dass er typisch stark bei Dir öfters so ist eine Flaumfeder aus der erhobenen Hand los lässt kannst Du bis 21 zählen und mal abmessen wie weit die Feder in der Zeit fliegt.

Mit dem was wir dann so von Dir erfahren können müssten wir nur noch wissen was Du mit dem Strom machen möchtest bzw. wie hoch genau Deine Erwartungen sind. Nur Handy laden, LED Licht oder mehr, z.B. 12 V Batterie laden.

Danach können wir Dir sagen welcher Windradtyp für Deine Zwecke am ehesten geeignet wäre, welchen Generator oder Motor Du aus recykelten oder sonst günstigen Möglichkeiten Du wählen kannst und wie groß das Windrad sein muss um Deinen Wunsch zu erfüllen.

Es kann natürlich auch möglich sein dass wir Dir garnicht helfen können weil Deine Standortbedingungen für Deine Erwartungen nicht günstig sind.
Matthias Fischer
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Re: Elektronik für kleinst Windkraftanlage zum Laden von USB-Geräten

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Gepostet: 05.11.2023 - 15:25 Uhr  ·  #8
Hallo Carl,

vielen lieben Dank für Deine ausführliche Antwort. Wirklich sehr nett :-) Ich probiere das demnächst mal aus und melde mich dann nochmal.

Grüße

Zitat geschrieben von Carl

Hallo Matthias,

erst mal willkommen hier und gleich zu Beginn wäre es ideal wenn Du uns posten könntest was für Standortbedingungen Du hast, ob der Wind durch Gebäude oder Bäume und ähnliches gestört (verwirbelt) wird und wie stark er bei Dir wo Du das Windrad aufbauen möchtest gefühlt in etwa bläst.

Wir messen die Windgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde und wenn Du bei dem Wind von dem Du annimmst dass er typisch stark bei Dir öfters so ist eine Flaumfeder aus der erhobenen Hand los lässt kannst Du bis 21 zählen und mal abmessen wie weit die Feder in der Zeit fliegt.

Mit dem was wir dann so von Dir erfahren können müssten wir nur noch wissen was Du mit dem Strom machen möchtest bzw. wie hoch genau Deine Erwartungen sind. Nur Handy laden, LED Licht oder mehr, z.B. 12 V Batterie laden.

Danach können wir Dir sagen welcher Windradtyp für Deine Zwecke am ehesten geeignet wäre, welchen Generator oder Motor Du aus recykelten oder sonst günstigen Möglichkeiten Du wählen kannst und wie groß das Windrad sein muss um Deinen Wunsch zu erfüllen.

Es kann natürlich auch möglich sein dass wir Dir garnicht helfen können weil Deine Standortbedingungen für Deine Erwartungen nicht günstig sind.
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