Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

 
zjuergen66
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Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 30.10.2023 - 19:03 Uhr  ·  #1
Hallo,
mein Balkon hat keine geeigneten Flächen für ein Balkonkraftwerk. Da kommt ein VAWT als Spielwiese gerade recht. Ich kenne die Abschätzung des möglichen Energieertrags nach oben, deshalb schreibe ich gleich von Liebhaberei. Lernen macht doch fast immer Spaß.

Bedingungen: Balkonhöhe ist ca. 15m über Grund in der Stadt, möglicher VAWT Durchmesser 0.3m bis 0.4m (abhängig von Bauart) und mögliche Höhe 1.2m bis 1.5m, erwarteter mittlerer Wind 4.5m/s.

Die Turbine(nteile) würde ich für die Prototypen erstmal 3D-drucken; Bauraum ist 30x30.35cm. Abhängig vom Zerlegungsgrad deshalb Turbinendurchmesser bis 0.4m möglich (mehr Platz ist auf dem Balkon nicht).

Was ich mit den wenigen W letztlich machen werde, ist noch offen. Erstmal gilt es die Turbine zu bauen. Dazu habe ich hier viel quer gelesen und jetzt bereits einige Antworten aber noch mehr Fragen als vorher.


  • als Selbststarter Savonius oder Ugrinsky oder ..? Was sind Argumente hierzu? Oder bei der kleinen Größe egal; besser nach Geschmack der Frau auswählen?
  • ab wann ist Darrieus bzw. Kombination mit Selbststarter sinnvoll?
  • als Generator möchte ich einen der zahlreich vorhandenen brushless DC 3-Phasen Modellmotoren verwenden. Ein Gleichrichter aus 6 Schottky-Dioden ist dafür geeignet oder sind fertige All-In-One Gleichrichter effizienter?
  • ist mechanische Fliehkraftbremse zur Drehzahlbegrenzung bei der 'Kleinheit' sinnvoll machbar?


Dankeschön
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 30.10.2023 - 19:53 Uhr  ·  #2
Darrieus macht bei den 3,5 m/sec Wind keinen Sinn.

Savonius hätte das passende Drehmoment um evtl. einen der leichtgängigeren Nabendynamos von Shimano zu drehen und das würde auch zum nutzbaren Energieinhalt einer Strömungsgeschwindigkeit von 3,5 m/sec passen denn die läge beim Wirkungsgrad des Savonius mit dem halben m2 Fläche zum Wind ziemlich genau bei den 3 Watt die ein Nabendynamo erzeugen darf ohne dass die Lampen durchbrennen.

Die Spannung von über 12 V zum Laden eines 12 V Akkus wird relativ schnell erreicht, kann auch bei mehr Wind höher werden, nur die Stromstärke ist etwa auf die 3 W begrenzt, was er mehr erzeugt wird als Wärme abgeführt.

Wenn`s Drehzahlmäßig nicht ganz für 12 V Spannung reicht gehts Laden einer Handy Powerbank ganz sicher!

Was Deine DC 3 Phasenmotoren vom Modellbau angeht, ok, die sind ja meist ziemlich leichtgängig aber wohl auch hochtourig? Du kannst bei 3,5 m/sec Wind nicht mit hohen Rotordrehzahlen rechnen außerdem - beim Nabendynano reichen 4 Dioden zum Gleichrichten. Da kommen nur 2 Phasen raus und das heißt dann weniger Eigenverbrauch durch die Dioden.

Die Dioden für Gleichrichtung - da kommt es vor allem auf deren Eigenverbrauch an weil bei 3 W Leistung möchtest Du ja soviel wie möglich selber nutzen.
zjuergen66
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 30.10.2023 - 20:29 Uhr  ·  #3
ok, verstanden.
Ich hatte mich zwar bei der Windgeschwindigkeit vertippt - richtig ist laut DWD eher 4.5m/s; aber die Aussage zu Darrieus gilt wohl auch dann noch.

Bei den 3D-Druckmodellen scheint Ugrinsky häufiger genannt zu werden als Savonius, hier im Forum fast gar nicht. Gibt es einen Vergleich zwischen Savonius und Ugrinsky?

Danke für den Hinweis zu den unnötigen Verlusten bei 3-Phasen Gleichrichtung.
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 31.10.2023 - 04:53 Uhr  ·  #4
Bei 4,5 m/sec auf dem Windatlas muss das nicht heißen dass in stark bebauter urbaner Umgebung darauf Verlass wäre, da könnte es auch in Straßenschluchten durch zugige Verhältnisse mehr oder durch Hindernisse mit starker Luft-Verwirbelung weniger werden.

Wahrscheinlich hast Du auf Deinem Balkon keine saubere laminare Strömung weshalb ich Dir mit dem Darrieus recht gebe.

Im Forum hier gibt es einen Thread zum Ugrinsky:

Forum/cf3/topic.php?t=6125

dort findest Du keinen direkten Vergleich aber doch ein paar Hinweise wie z.B. den dass ein 3 blättriger Savonius vielleicht den gleichen Zweck erfüllt.

Ich selber würde erwarten dass ein 3 Schaufel -Savonius mehr Laufruhe als mit 2 Schaufeln ermöglicht, dabei etwas weniger schnell dreht, dann entsprechend mit etwas mehr Drehmoment.

Vielleicht - wegen der Laufruhe und Anpassung an die jeweilige Generator Eigenschaft die bei Dir noch nicht festzustehen scheint interessant für Dich.

Selber habe ich mich noch nicht näher mit dem Ugrinsky befasst, will mich dementsprechend nicht mit Prognosen unbeliebt machen und wünsche viel Spass bei Deinem Projekt.
zjuergen66
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 02.11.2023 - 16:55 Uhr  ·  #5
schoenes Paper zu Ugrinsky gefunden https://www.mdpi.com/1996-1073/15/7/2478

Meine ist jetzt mit S = 0.40D und L=1.0R konstruiert. Der 3D Druck wird etliche Tage brauchen... werde dann ein Update schreiben

PS: die erste kleine Version 30cm x 10cm (HxD) schafft es nur bei Extra Windstössen, das kleine Brushless Motörchen anzuschieben. Ohne Last freilaufend im Wind dreht sie allerdings gut
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 05.12.2023 - 14:32 Uhr  ·  #6
Ah ja, könnte fast so passen ähnlich wie beim Savonius aber damit hänge ich mich mangels Vergleichsmöglichkeit und Kenntnis nicht gerne aus dem Fenster.

Probiere es doch einfach mal mit dem Shimano 3 DH20, der hat Kupferspulen und die einzige Version mit langen massiven Achsstummeln.und kostet nur um die 20 Euro, also keine Unsumme.

Die anderen Modelle sind teurer, haben kurze Achsstummel, nur 5 mm und Hohlachsen für Schnellverschluss. Diese sind etwas leichtgewichtiger und auch etwas leichtgängiger wären bei stabiler Lagerung auf der Gegenseite des Rotors in der oberen Halterung dann unten mit Schnellverschluss vielleicht auch noch stabil genug befestigt aber bei weitem nicht so stabil wie mit der Achse vom 3DH20!

Bei Ebay gibt es das manchmal gebraucht mit oder ohne Laufrad.

Na ja, was erwartet man bei der Version 30cm x 10cm (HxD) mit 0,03 m2 Fläche zum Wind? Mit 1 m2 Fläche und dem typischen Beiwert des Savonius sind bei 3 m/s Wind maximal 2,5 W herauszukitzeln, auf keinen Fall mehr!
zjuergen66
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 05.12.2023 - 14:51 Uhr  ·  #7
Zitat geschrieben von Carl

Na ja, was erwartet man bei der Version 30cm x 10cm (HxD) mit 0,03 m2 Fläche zum Wind? Mit 1 m2 Fläche und dem typischen Beiwert des Savonius sind bei 3 m/s Wind maximal 2,5 W herauszukitzeln, auf keinen Fall mehr!


das sind die Dimensionen von dem ersten Versuch, der laeuft nur ohne Last schoen im Wind.
Der 'produktive' wird 1.8m x 0.3m (HxD) und nach einem letzten Versuch mit 3-Phasen brushless gimbal motor werde ich nach einem Nabendynamo suchen
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 05.12.2023 - 14:56 Uhr  ·  #8
ok, dann viel Glück und Spass am Projekt! :-)
zjuergen66
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 05.12.2023 - 20:04 Uhr  ·  #9
erstes von 3 Segmenten, die gegeneinander verdreht auf eine Achse kommen. Formgebende Teile 3D-gedruckt, Profilflaechen aus PET-Glasfolie. Die fuer oben/dazwischen/unten geplanten Deckel=Scheiben fehlen noch.
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Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 06.12.2023 - 01:05 Uhr  ·  #10
Oh ja, sehr schön , PET ist Ja auch sehr widerstandsfähig soweit ich es von den sehr haltbaren PET Flaschen her kenne die man gut verbasteln kann,

Weiter so und immer dran bleiben!

Grüße, Carl
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 06.12.2023 - 08:36 Uhr  ·  #11
Falls Dein Modell nicht genug Drehmoment für das Überwinden des Anlaufmomentes beim Nabendynamo schafft - das hängt ja auch vom Standort und dem Wind dort ab,

Für einen kleinen Steppermotor z.B. der von Howard müsste das allemal reichen, der liefert auch ohne hohe Drehzahlen läuft seidig ohne Ruckeln und so kompliziert ist das mit den 5 Litzen die rausgucken nicht, falls Du Dich für den entscheidest bekommst Du von mir die Details wie man da 2 Brückengleichrichter an welche Litzen Farben von je 2 Litzen pro Gleichrichter lötet und plus mit plus und minus mit minus der Gleichrichter zusammenbringt als Gleichstrom Anschluss mit nur 2 Drähten.

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Che
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 06.12.2023 - 09:54 Uhr  ·  #12
Zitat
Der 'produktive' wird 1.8m x 0.3m (HxD) und nach einem letzten Versuch mit 3-Phasen brushless gimbal motor werde ich nach einem Nabendynamo suchen
Der wird zu schwach sein. Lass Dich mal von Carl zu Generatoren von ElvWis beraten.
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 08:24 Uhr  ·  #13
Hallo Che, das war sicher ironisch gemeint.

zjürgen66 wird sein Windrad auf dem Balkon aufstellen, die Windgeschwindigkeiten die er dort in der Regel abgreift dürften nicht sehr hoch sein.

Hier ein Link zu dem zweitgrößten ElvWis Generator der Baureihen von ElvWis,

https://www.elvwis.com/elvwis-aluminium-generator-ege200-va im Link findest Du die technischen Angaben und - wichtig - eine Leistungskurve!

die noch kleineren ElvWis Generatoren ähneln diesem was das Erreichen der jeweiligen Nennleistung und der maximalen Leistungshöhe bei 1000 RPM und 1800 RPM betrifft. So schnell wird zjürgens Ugrinski Modell wohl kaum jemals drehen, der ElvWis Generator ist zwar ein Scheibengenerator und coreless, aber die Leistungen
desselben sind für einen hohen Bereich der Windgeschwindigkeiten von Schwachwind bis stark vielleicht eher geeignet zumal zjürgen wohl nur den unteren Bereich nutzen kann.

Ich habe zur Zeit einen kleinen 50cm x 50 cm Rotor damit laufen an einer Hausecke wohin noch eine Tuchbahn als Einleitfläche ein wenig den schwachen Wind der bei mir vorherrscht verstärkt. Selten erreicht er bei etwas stärkerem Wind mehr als 200 RPM, meistens beim hier typischen Schwachwind läuft er zwar auch wegen des leichtläufigen coreless ElvWis Generators schon sehr früh an, am Akku der damit über den "Boost Ladereger angeschlossen ist merke ich allerdings nichts davon.

Der Generator liefert zwar schon Spannung und Strom, ich vermute, der Boost Laderegler der im Forum schon besprochen wurde ist schuld daran dass die Akkuspannung statt dessen eher abnimmt durch dessen Eigenverbrauch oder durch Beschädigung des Reglers durch falsche Behandlung.

Im Fazit das kleine HOWard Motörchen liefert nicht viel Strom aber es kommt schneller auf höhere Spannungen als der ElvWis Generator der bei 100 RPM erst mit 5 V mit dabei ist und alle weiteren 100 RPM darüber nur um weitere 5 V ansteigt.

Der Fahrraddynamo den ich zjürgen empfohlen habe erreicht bei 200 RPM bereits 22 V Leerlaufspannung - wird allerdings kaum mehr als die 3 W Leistung erbringen die er auch schon mit 50 RPM be 6,6 V Leerlaufspannung und an Akku geschlossen 0,42 A erreicht. bei 100 RPM erreicht er in etwa schon die Ladespannung für einen 12 V Akku.

Den Howard, den man zu zweit auch an jedem Achsende befestigen könnte habe ich genannt, weil er ein früheres Losbrechmoment als der Nabendynamo hat. Damit lassen sich zwar keine so hohen Ladeströme erzeugen aber die Leerlaufspannung steigt auch bei diesem sehr schnell hoch so dass damit zumindest gegeben ist dass zjürgen sein Experiment so gestalten kann das er mit kleinen Kosten bei sehr schwachen Windbedingungen nicht zwingend zu einem teuren ElvWis Generator greifen muss der unter solchen Vorbedingungen kaum mehr leisten würde.
FamZim
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 10:38 Uhr  ·  #14
Hallo

Wenn ein Nabendynamo nur einen 5 mm Stummel zur Befestigung hat, kann durch die Hohlachse eine Verschraubung, genau wie am Fahrrahd auch gemacht werden, die den Dynamo , sonst an die Gabel , aber nun Einseitig befestigen läst.
Da geht die Biegekraft nicht über den Stummel sondern über die Anlagefläche.

Gruß Aloys.
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 11:01 Uhr  ·  #15
Ja Aloys, das stimmt schon,

ich würde dennoch davon ausgehen dass die Belastungen im Betrieb mit einem Vertikalläufer die durch die Lastwechsel mit erheblichem Gerüttel entstehen auf Dauer eine solche Verbindung lose machen würden. und sobald eine solche Auflagefläche auf die Du hinweist erst einmal locker ist kann man nicht mehr von einer breitflächigen Klemmhaftung
reden.

Ich habe damit bereits einschlägig praktische Erfahrungen gemacht und rate deshalb auch weiterhin für dauerhafte Verbindungen lieber das Modell 3 DN20 mit den massiven etwa 3 cm langen Achstummeln vorzuziehen!

Dafür muss man nur den Rotordurchmesser oder Bauhöhe um etwa10 cm größer gestalten denn an diesem auch preislich günstigeren Modell haben wir ein etwas stärkeres Rastmoment durch die Magnete und damit ein schwerer zu überwindendes Anlaufmoment.

Bitte vertraue dem, ich mache seit vielen Jahren meine Erfahrungen damit! Den leichtgängigeren 3DN70 oder den 71 habe ich nur im Einsatz wenn ich ein Horizontal - Windrad aufstelle bei dem es fest in die Haupt-Windrichtung ohne Fahne ähnlich wie in der Gabel von einem Fahrrad an den 2 Achsenden mitten in einem Traggerüst mit 2 Mast-armen festgeklemmt wird.

Das ist für normale Horizontalläufer keine optimale Lösung, das mache ich nur für Versuche bei denen verschiedene Flügeltypen kurzzeitig getestet werden. Eine Windnachführung gibt es dabei nicht oder ließe sich nur aufwendig realisieren.
zjuergen66
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 12:11 Uhr  ·  #16
Hm, der Input von Euch Experten mit viel Erfahrung zeichnet da einen weiten Rahmen. Deshalb frage ich gleich nochmal etwas detaillierter, der Generator-Teil bleibt erstmal die gedankliche Baustelle.

Ugrisnky hat angeblich theoretisch Cp=0.17. Fuer meinen 0.5m^2 Rotor heisst das
  • bei 3m/s <1.5W
  • bei 4m/s < 3.5W
  • bei 5m/s < 7W
  • bei 6m/s < 12W

Davon moechte ich moeglichst viel nutzen, also effizienter Generator gesucht. Realistisch verwertbar kommt am elektrischen Ende hoffentlich 50% raus. Derzeit moegliche Optionen fuer Generator sind
  • elvwis -> unpassender Drehzahlbereich, unpassende Preisklasse; faellt aus meinem Fangradius
  • umfunktionierter brushless gimbal 3-Phasen Motor -> unbekannter Wirkungsgrad, unbekannte Leistung, 'professioneller' China-Motorenbau, vorauss. sehr niedrige Spannungslage -> insgesamt wohl Sackgasse
  • Fahrrad-Dynamo -> wirkt massiv fuer die geringe Leistung, bauart-bedingt gedeckelt bei 3W
  • Stepper Motor -> verfuegbar in verschiedenen Groessen, Effizienz unbekannt
  • Selbstbau-Scheibengenerator -> machbar, aber Wirkungsgrad im Vergleich zu Fahrrad-Dynamo / StepperMotor besser, i.e. lohnt der Aufwand?


Als naechster einfacher Schritt steht damit wohl der Kauf eines gebrauchten Fahrrad-Dynamo oder StepperMotor an. Bitte zu kommentieren
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 12:28 Uhr  ·  #17
Ugrisnky hat angeblich theoretisch Cp=0.17. Fuer meinen 0.5m^2 Rotor heisst das
bei 3m/s <1.5W
bei 4m/s < 3.5W
bei 5m/s < 7W
bei 6m/s < 12W

Das würde bei 1 m2 Rotorfläche frontal zum Wind gestellt nicht hinkommen Dein Ugrinski - hat der nicht mit 30 cm D und 180 cm H nur 0,54 m2 Fläche frontal zur Strömung exponiert?

2,5 W maximal bei 1m Fläche zum Wind wäre realistischer und nicht vergessen das Losbrechmoment!

Vielleicht schafft es Dein Ugrinski mit seinen 0,54 m2 ja früher als meine Savonius ähnlichen Bauten die mit wenig mehr als der Hälfte Deiner Fläche erst bei 4 - 4,5 m/sek anlaufen.

Ich kopiere Dir hier die Messdaten des Nabendynamos welche unser Forenmitglied Famzim in einem anderen Thread gepostet hat:

Hallo

I ch beziehe Mich mal auf diese Messungen !!

Am 12.1 Ohm Widerstand produzieren:
10 km/h, (75 RPM), 5.0 V, 0,413 A, 2,06 W, 60 % Wirkungsgrad
20 km/h, (150 RPM), 6.5 V, 0,537 A, 3,49 W, 55 % Wirkungsgrad
30 km/h, (225 RPM), 6.8 V, 0,561 A, 3,81 W, 48 % Wirkungsgrad
50 km/h, (375 RPM), 7.0 V, 0,578 A, 4,05 W, 40 % Wirkungsgrad

Was erkenne ICH daraus ???
Über 0,5 A bricht der Wirkungsgrad ein und die Spannung steigt fast gar nicht mehr !!!
Das erklärte Ich nun schon ein mehrfaches mal .
Ihr könnt da gerne weiter messen es wird sich nicht endern.
Die 0,5 A sind annähernt erreichbare Kurzschlußstrom und danach kommt nix mehr !

Gruß Aloys.

Du erkennst daran bei welchen RPM der Nabendynamo belastet was leisten kann, Die k/mh Angaben beziehen sich nicht auf die Windgeschwindigkeit sondert auf Fahrtgeschwindigkeit beim Fahrradfahren.

75 RPM könntest Du mit Deinem Ugrinski vermutlich bei 4 bis 4,5 m/sec Windgeschwindigkeit erreichen wenn Du damit vorher noch das Losbrechmoment des 3DH20 Dynamos mit der stabilen längeren Vollachse überwinden möchtest.

Wenn das eine Windgeschwindigkeit ist die häufiger bei Dir auftritt bist Du damit gut beraten.

Die Nabendynamos mit den 5 mm langen Achsstummeln ab 3DH30, 3DH70 und 71 aufwärts - es gibt da noch mehr Modelle- sind nicht sehr viel leichtgängiger!
FamZim
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 15:30 Uhr  ·  #18
Hallo

Mann kann auch eine Stahlachse in die Hohlwelle kleben, dann ist es keine mehr.
Was rappelt den da am Generator ? bist Du schon mal mit 50 kmh iber Kopfsteiflaster gefahren.
Es kommt nur der Winddruck etwas versetzt auf die Verschraubung und keine 100 kg Stösse wie beim Radfahren.
Man kann auch aus einem Flo einen Elefanten machen.
Mit zusätzlicher Befestigung durch ein zweites Lager oben bei langen Rotoren erübricht sich das sowieso.

Gruß Aloys.
Carl
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 15:46 Uhr  ·  #19
Ja man kann es so versuchen, vielleicht hält es.

Das Vielleicht wäre mir in meinem Alter nicht genug, da möchte man mehr Ruhe. Baustellen wo etwas zu reparieren hasse ich obwohl man damit leben muss. Irgendwas geht immer kputt. :-)
zjuergen66
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Re: Balkon-VAWT - Liebhaberei mit Fragen

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Gepostet: 07.12.2023 - 18:44 Uhr  ·  #20
Schoen, dass Ihr so viele Aspekte zur mechanischen Ausgestaltung beim Nabendynamo habt, aber soweit bin ich noch nicht entschieden. Nochmal den Fokus auf das anstehende Thema gelenkt:

aus meinem Rotor erhalte ich bei grosszuegig angenommenem Wind 6 m/s theoretisch mechanische 12W. Davon moechte ich moeglichst viel auf der elektrischen Seite sehen, also effizienter Generator gesucht. Realistisch verwertbar kommt am elektrischen Ende hoffentlich 50% raus. Derzeit moegliche Optionen fuer Generator sind
(elvwis und 3-Phasen brushless gimbal motor gestrichen)
  • Fahrrad-Dynamo -> nicht unter 400g, ziemlich viel Gewicht fuer die geringe Leistung, bauart-bedingt gedeckelt bei 3W
  • Stepper Motor -> verfuegbar in verschiedenen Groessen, Effizienz unbekannt
  • Selbstbau-Scheibengenerator -> machbar, aber Wirkungsgrad im Vergleich zu Fahrrad-Dynamo / StepperMotor besser, i.e. lohnt der Aufwand?

Als naechster einfacher Schritt steht damit wohl der Kauf eines gebrauchten Fahrrad-Dynamo oder StepperMotor an. Bitte zu kommentieren
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