Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 05.05.2021 - 10:30 Uhr  ·  #1
Moin zusammen!

Ich dachte mir ich meld mich mal mit meiner Winz-Windkraftanlage zu Wort. Klein- kann man die vermutlich schon nicht mehr nennen:



Die Kiste hat 50 cm Durchmesser und ist 60 cm hoch, also eine Frontalfläche von 0.3 m². Das ganze als Helix ausgeführt, so dass die drei Flügel genau 360° abdecken.

Die Flügelprofile sind aus einem relativ aktuellen Paper. Nennen sich EN0005 und haben wohl bessere Selbststarteigenschaften. Ich hab natürlich keinen Vergleich mit den NACA Profilen, aber ohne Widerstand durch einen Generator läuft die Turbine selbst bei kleinsten Windhauchen an.

Die Flügel sind in drei Abschnitten 3D gedruckt. Aus ABS, im "Vase Mode" und mit 1 mm Wandstärke. Das hat erstaunlich gut funktioniert und die Flügel sind erstaunlich stabil dafür, dass sie grob 250 Gramm wiegen.

 


Das ganze ist mit gedruckten Verbindungsstücken und 10 mm Alurohren an einer zentralen 10 mm Alustange befestigt. Die ganze Turbine mit den Aluteilen wiegt etwa 800 Gramm. Das ganze hängt jetzt in grob drei Meter Höhe am Rand des Grundstücks, das ist nicht ganz ideal, aber wir wohnen zur Miete, da kann ich nicht einfach was aufs Dach stellen.

Als Generator probiere ich gerade die "Standard" NEMA 17 Motoren aus dem 3D Druck weil die angeblich schon bei geringen Drehzahlen hohe Spannung generieren. Das scheint mir aber nicht ganz zu funktionieren. Aus dem 2 cm langen NEMA 17 Motor krieg ich gerade mal 0.2 V raus, der 4 cm lange produziert immerhin 2.5 V. Da hat die Turbine bei geringen Windgeschwindigkeiten aber Probleme anzulaufen.

Das ganze scheint aber erstmal rund zu laufen ... jetzt ist der nächste Schritt mir mal über die Speicherung der Energie Gedanken zu machen. Bei der Frontalfläche und den hier herrschenden Durchschnittswindgeschwindigkeiten kommt da nicht viel bei rum, aber wenns reicht nen paar LEDs im Garten zu verteilen bin ich schon froh.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 05.05.2021 - 11:11 Uhr  ·  #2
Bei Deinem Rotordurchmesser und Höhe könntest Du evtl. auch einen Nabendynamo von Shimano einsetzen:
https://www.ebay.de/itm/333975…SwvTdghZO2

Bei mir läuft dieses Modell der unteren Preisklasse an einem 50cm x 50cm C-Rotor bei 3 - 4 m/sec und speist hinter dem Gleichrichter einen 12 V Akku.

Diese Dynamos erzeugen nie mehr als 3 W, sind darauf begrenzt um die Fahrradleuchten zu schonen. Die Volt steigen relativ schnell auf über 12 V zum Laden an.

Ob Dein Rotor es schafft das Kogging der Magnete früh genug zu überwinden - 3 m/sec mit Spitzen bei 4 -5 ist ja so der typische Schwachwindstandort - keine Ahnung.

Auf dem Video mit Deinem schicken Teil sieht man so etwa 40 RPM bei etwa 4 m/sec Wind. Kein Wunder dass Dein Stepper da kaum auf Spannung kommt.

Ob Dein Rotor genug Drehmoment auf die Pfanne bekommt um einen Nabendynamo anzudrehen? Jedenfalls tippe ich darauf dass Dir kaum eine andere Alternative als Nabendynamo bleibt wenn Du Dich nicht in Unkosten stürzen willst.

Etwas ganz Feines gäbe es nämlich und es würde auch zu dem schicken Teil passen: ein eisenloser Generator von ElvWis.
https://www.ebay.de/itm/192913…SwHF5czaDJ
So etwas verkauft Elvis auch in einer 50 W Version.

Es gibt von Shimano bedeutend leichtgängigere Modelle, die haben in der Regel eine Hohlachse für Schnellspanner. Leider ist der Achsstummel dort sehr kurz, eine schlechte Montageverbindung wenn man den Rotor nicht oben und unten 2 Punkt gelagert aufstellt.

Ansonsten - die Steppermotoren haben verschiedene Nennspannungen, da solltest Du mindestens einen mit 12 V nehmen um schnell auf Spannung zu kommen. Sowas hab ich auch, von Howard, könnte einen abgeben, allerdings braucht der mindestens 120 RPM um auf die 12 v zu kommen. Leichtgängig sind die ja, zumindest kein ruckartiges Kogging.

Also 120 RPM gefühlt, man kann den mit Daumen und Zeigefinger andrehen und auf dem Multimeter so die 12V locker erreichen. !20 RPM mit einem Vertikalläufer unter Last bei 3-4 m/sec Wind wäre vielleicht zuviel verlangt. Der Nabendynamo macht das schon bei etwa 60 RPM bremst aber wohl auch mehr ab.

Mußte mal gucken und Daumenprobe machen.

https://www.ebay.de/itm/192913…SwHF5czaDJ Das sind eisenlose Generatoren von ElvWis, gibt es bis runter auf 50 W, laufen ohne Rastmoment an, das wäre dann teurer aber eine gute Investition.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 05.05.2021 - 16:43 Uhr  ·  #3
Hallo

Mit den Fingerspitzen hat man leicht mal 5 oder mehr U/sek = 300 U/min
Es wirt ein Generator gebraucht der mit 1 U/sek die Spannung erreicht.
Auf die Welle ein kleines Brett klemmen mit einem Nagel zum drehen , und dann einmal /sek !!

Gruß Aloys.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 05.05.2021 - 17:09 Uhr  ·  #4
Hallo Florian,

optisch ist das jedenfalls schon einmal ein Hingucker ^_^ Respekt.

Grüße
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 05.05.2021 - 21:15 Uhr  ·  #5
Moin zusammen!

Einen herzlichen Dank schon mal für das konstruktive Feedback!

Zitat

ein Hingucker


Das erhöht auf jeden Fall den Akzeptanzfaktor hier im Hause enorm. Aber diese tanzenden Flügel haben wirklich was für sich :-)

Zitat

einen Nabendynamo


Das hab ich jetzt schon mehrfach gehört. Ich dachte ich fang mal mit Sachen an die ich noch rumliegen habe ;-)
Was mich bei dem "maximal 3W" etwas wundert: woran liegt das? Da ist ja (vermutlich) keine aktive Elektronik drin die die Leistung irgendwie deckelt, oder?
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 05.05.2021 - 21:37 Uhr  ·  #6
Die Naben Dynamos sind eher auf 500 mA limitiert. Nennspannung sind 6 V was dann 3 Watt ausmacht. Bei höheren Drehzahlen steigt die Spannung, z.B. auch auf 12 V jedoch bleibt es bei den 500 mA.
Was genau die 500 mA limitiert, weiß ich nicht.

Man kann recht einfach daraus 5 V USB machen, wenn du dich ein wenig mit Elektronik auskennst. Vielleicht wäre das etwas für dich?

Du meinst vermutlich den WAF (Woman acceptance factor) :D :D :D
Aus Erfahrung kann ich sagen das diese Einheit wichtiger ist als mA, Volt und Leistung :P

Grüße
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 07:00 Uhr  ·  #7
Ich hab mal gehört dass bei höheren Drehzahlen des Nabendynamos die Mehrleistung nicht als Watt in die Leitung gehen sondern als Wärme im Dynamo abgeführt werden. Das erklärt nicht wie genau, vielleicht weiß Aloys dazu mehr.

Bei dem erfreulichen Anblick den der tanzende Rotor macht lohnt sich bestimmt der kleinste eisenlose Generator von ElvWis, denn der lässt den Rotor schon sehr früh anlaufen weil da kein Rastmoment der Magnete abbremst,

Für die Nabendynamos könnte ich keine Garantie geben dass sie vor Wind 3-4 m/sec anlaufen. Das wäre schade denn der Rotor (in der Größe sowieso) ist eigentlich mehr ein optisches Wunder als energetisch.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 09:47 Uhr  ·  #8
Hallo

Es ist wie ein Wunder was man dem 3 D drucker so entlocken kann, meinen Glückwunsch da zu !!

In einem (jedem) Nabendynamo, arbeiten 2 Magnetsysteme "gegen" einander, und das Feld der Magnete wirt durch das Elektrofeld geschwächt.
Ist der Strom hoch (0,5 A) ist das E Feld so stark geworden das keine höhere Spannung generiert wirt.
Die beiden Felder rutschen mit höher werdender Drehzahl eher an einander vorbei.
Entnimmt man einen geringerenStrom , etwa 0,4 A setzt das Magnetfeld der Magnete sich auch noch bei höheren Drehzahlen durch und die Spannung steigt.
Die Gesamtleistung damit auch.
Die 0,5 A wirken wie ein Kurzschlußstrom , aber bei einer durch die Beleuchtung, zugelassenen Spannung von 6 V .
Das Drehmoment sinkt aber etwas bei höherer Drehzahl, und es ist kein vollkommener Verlust dadurch.

Es gibt im Netz Vergleichs-Daten über Nabendynamos mit Angaben des Anlaufdrehmomentes !

Gruß Aloys.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 10:00 Uhr  ·  #9
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 14:29 Uhr  ·  #10
vor einigen Jahren wurde im Nachbsrforum mal eine Testreihe gestartet und einige Nabendynamos auf ihre Eigenschsften hin verglichen.

www.daswindrad.de
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 15:19 Uhr  ·  #11
Nabendynamos ohne Rastmoment kenne ich keinen. Die Freude an so einem Helixläufer dürfte wohl größer sein wenn er auch bei kaum Wind schon munter dreht. Ich seh das Teil mit Nabendynamo schon die meiste Zeit stille stehen wenn`s denn ein Schwachwindstandort ist.

Wenn FHo doch so gut mit dem Drucker bauen kann, zeig ihm doch Max, wie er sich seinen Eisenlosen selber bauen kann!

Maßgeschneidert und dann vollends der ganze Stolz des Gartens. :-)
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 15:54 Uhr  ·  #12
SON bzw. Schmitz Orginal Nabendynamo sollen die geringsten Leerlaufverluste haben. Ob das dann auch kleinstes Rastmoment bedeutet weiß ich nicht. SON kosten jedoch neu ca. 200 Euro. Vielleicht gebraucht eine Möglichkeit?

SON gibt es in verschiedene Varianten
https://nabendynamo.de/produkte/nabendynamos/

Und hier Labor Tests und Ergebnisse.
https://fahrradzukunft.de/1/labortest-nabendynamos

Dort schneidet der Shimano DH-3N70 auch recht gut ab, bei Wirkungsgrad und Leerlaufverlusten, kostet nur die Hälfte und sollte einfacher gebraucht zu erwerben sein.

Aber ich zitiere Carl:
Zitat
Es gibt von Shimano bedeutend leichtgängigere Modelle, die haben in der Regel eine Hohlachse für Schnellspanner. Leider ist der Achsstummel dort sehr kurz, eine schlechte Montageverbindung wenn man den Rotor nicht oben und unten 2 Punkt gelagert aufstellt.


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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 15:59 Uhr  ·  #13
wir haben doch hier schon jemanden der Baupläne für einen Scheibengenerator aus dem 3D Drucker gepostet hat. Ich habe sogsr ein Set irgendwo zu Hause liegen. Das könnte gut passen. Ich kann grad nicht nach dem Thema suchen aber mit etwas muhe findet man es sicher :-)
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 06.05.2021 - 19:59 Uhr  ·  #14
Zitat

Wenn FHo doch so gut mit dem Drucker bauen kann, zeig ihm doch Max, wie er sich seinen Eisenlosen selber bauen kann!

Zitat

wir haben doch hier schon jemanden der Baupläne für einen Scheibengenerator aus dem 3D Drucker gepostet hat.


Das wäre doch mal ne Idee! Hab das Excel Tool gefunden ... da muss ich mich jetzt erstmal durchackern. Hab im Forum auch nen paar Beiträge von Leuten mit 3D gedruckten Generatoren gefunden, ich glaub die meisten davon sind vergleichsweise zu groß für die Windturbine hier.

Hab ich das richtig verstanden, dass ich eigentlich einen eisenlosen Scheibengenerator will weil der keinen Anlaufwiderstand hat? Und den sollte ich dann mit dem Tool so auslegen, dass ich bei meinen Gegebenheiten hier irgendwie das Maximum rausholen kann?

edit: Gerade mal das Tool überflogen ... das ... sind mal ne Menge Werte über die man sich Gedanken machen muss :-)
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 07.05.2021 - 01:04 Uhr  ·  #15
Zitat
Hab ich das richtig verstanden, dass ich eigentlich einen eisenlosen Scheibengenerator will weil der keinen Anlaufwiderstand hat?


Ja :D
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 07.05.2021 - 07:26 Uhr  ·  #16
eisenlose Generatoren haben dort wo die Kupferspulen sind keine Blechpakete, das Magnetfeld der Magnete wandert ohne dort einen elektrischen Magnetismus zu erzeugen durch die Spulen hindurch. Da so keine anziehende oder abstoßende Kräfte zwischen Stator und Rotor entstehen läuft ein eisenloser Generator bis auf die Reibungskräfte in der Lagerung frei an.

Das hat zwar nur geringfügige Vorteile im Bereich sehr schwacher Winde weil dort kaum Energie abzuernten ist, dennoch bringt es nicht nur optisch etwas, der frühe Anlauf überbrückt die Phasen in denen der Rotor schon mehr leisten könnte wenn da nicht das Losbrechmoment abbremsen bzw. Stillstand verursachen würde.

Wird eine Last zugeschaltet bremst dies dann allerdings ab, kurzgeschlossen dreht so ein generator auch schwer. Da jedoch beim Laden eines Akkus wenig Widerstand zu überwinden ist kann beim "Eisenlosen" schon sehr frühzeitig der Ladebeginn einsetzen.

(In kurzen Worten - Aloys oder andere können das fachlich weit besser erklären)

In den Tiefen des Forums hatte ich auch schon im Themenbereich "Scheibengeneratoren" gesucht - eine konkrete Bauanleitung für Drucker bisher nicht gefunden. Allerdings war da ein kleiner Scheibengenerator bei den Exel Dokumenten, der mit
150 mm der Baugröße Deiner Helix entsprechen könnte.

Ich bin sicher das Max (Menelaos) weiterhilft sobald er Zeit findet.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 07.05.2021 - 09:18 Uhr  ·  #17
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 10.05.2021 - 09:28 Uhr  ·  #18
Update 2021-05-10

Hab nen Päckchen bekommen :-)

Da sind so "anything to 5V USB" Chipjes druff. Ich bin etwas skeptisch ob das funktioniert, so grob mit drauflinsen ist das nen Voltage Doubler mit nem Voltage Regulator dahinter ... sprich unter 2.5V dürfte da trotzdem kein 5V rauskommen. Das war anders beworben, aber ich lass mich mal überraschen.

Abgesehen davon bin ich etwas am überlegen ob ich den Rotor noch etwas "verziere": theoretisch müssten sich da mit Winglets und deren "virtuellen Tragflächenverlängerung" noch etwas mehr Leistung rausholen lassen. Ich bin nur nicht wirklich sicher, ob das an beiden Flügelenden Sinn macht oder nur an der "hinteren", nen Flugzeug hat ja auch nen möglichst aerodynamischen Rumpf am "vorderen" Ende des Flügels.

(Nur um das vorweg zu nehmen: Vortex Generatoren sind auch interessant, hab ich mich aber noch nicht mit beschäftigt. Und überhaupt ist das alles Augenwischerei solange ich nicht messen kann wieviel (wiewenig) Energie da überhaupt produziert wird.)

Noch nen Nachtrag:

Wenn die Nabendynamos aktiv Energie "verbrennen" klingt das für mich irgendwie nicht nach einer sinnvollen Lösung.
Die Elwis Generatoren sind mir zu teuer, effektiv hab ich für die ganze Kiste bisher nur 20€ für die Alustangen und die Stromplatinen ausgegeben (der Rest kam aus der Grabbelkiste und den zähl ich nicht ;-) ).
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 10.05.2021 - 11:35 Uhr  ·  #19
"Wenn die Nabendynamos aktiv Energie "verbrennen" "

Die Frage ist zuerst ob Dein Standort und die dortigen Windverhältnisse (im Mittelwert) es sinnvoll machen sich überhaupt Gedanken wegen Energieverbrennung zu machen.

Nehmen wir an Du hast einen der in Deutschland häufigsten Standorte mit 3 m/sec mit Spitzen von 4-5 m/sec in Böen dann kannst Du im Schnitt bei einem (für einen Standort mit Turbulenzen) hoch gerechneten Beiwert von max 30% erwarten, eher weniger.

Das würde bedeuten dass Du im Idealfall sowieso nur 3 Watt erzeugen könntest wobei jedoch nicht genau eingerechnet wurde dass Dein Rotor erst spät das nötige Drehmoment aufbringen würde um einen jeweilig mit stärkerem Kogging (Magnetismus) behafteten Nabendynamo über den Losbrechmoment zu bringen.

Ich habe das für Deine Rotorgröße, den genannten Leistungsbeiwert und die Windgeschwindigkeit von 3 m/sec aus einer Tabelle entnommen. und eingerechnet.

Der Dynamo verbrennt erst dann Energie wenn er schneller dreht als bei Dir dann zu erwarten wäre. 3 Watt ist seine Sollleistung, ideal angepasst an Deine Rotorgröße also.

Ein Standort der frei 3 m/sec bringt wäre schon relativ gut denn meist - im Garten, störende Gebäude, Sträucher, Bäume - kann das weniger werden und sehr ungünstig wegen der Turbulenzen die dann die Aerodynamik der Blätter beeinflussen.

Was Max Dir vorgeschlagen hat kostet auch nur Pfennige, Du hast ja schon Erfahrung mit Drucker.
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Re: Darrieus-Helix-Rotor aus dem 3D Drucker

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Gepostet: 10.05.2021 - 12:32 Uhr  ·  #20
Zitat

Ein Standort der frei 3 m/sec bringt wäre schon relativ gut


Muss ich mir vielleicht noch nen Anemometer anschaffen, angeblich gibts hier im Durchschnitt 8 m/s 13,8 - 20,8 km/h und die Turbine steht relativ frei (Hurra für Landleben). Aber die 8 m/s 13,8 - 20,8 km/h sind vermutlich nicht 2 Meter überm Boden gemessen. Ich bin auf die ganze Turbinengeschichte auch hauptsächlich gekommen weil der Wind hier über die Felder relativ ungehindert drüber streift.

Ich hab den DIY Scheibengenerator auf jeden Fall auch im Auge ... da schreckt mich hauptsächlich ab das ich mich mit dem Tabellenblatt zum berechnen auseinandersetzen muss ;-)

Zitat

Ich habe das für Deine Rotorgröße, den genannten Leistungsbeiwert und die Windgeschwindigkeit von 3 m/sec aus einer Tabelle entnommen. und eingerechnet.


Klingt auch nicht verkehrt ... ich hab irgendwann für die Größe, 8 m/s und 40% Wirkungsgrad nur 1 Watt ausgerechnet. Da ists es auch eigentlich vollkommen egal was ich mache ... das ganze bleibt nen Spaßprojekt ;-)
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