Mini-Windkraftanlage

[Thomas R]

Hallo zusammen,

im Rahmen einer Projektarbeit an unserer Hochschule (Studiengang Mechatronik/Feinwerktechnik) bearbeiten wir das Projekt eines "Wind Energy Harvesters", also eines Gerätes das, mobil eingesetzt, Windenergie speichern soll und anschließend einem Verbraucher (zunächst LEDs, eher theoretisch dann auch Handy- oder Laptop-Akku) zur Verfügung stellen soll.

Die Leistungen sind also relativ gering: Von wenigen mW bis zu 1...2 Watt.
Die Dimensionen können also auch klein sein (schon aus Gründen der Mobilität)
Wichtigste Eigenschaft ist ein guter Anlauf.

Wir haben uns daher relativ schnell für einen Savonius-Rotor entschieden, auch aufgrund der Selbstanlaufeigenschaften, der einfachen Bauform und des relativ guten Wirkungsgrades.
Anhand diverser Fachbücher haben wir die ungefähren Dimensionen bereits errechnet: Der Savonius würde eher (ungewöhnlich) flach ausfallen: Höhe 50mm, Durchmesser 200mm.
Im Augenblick sind wir noch am Rätseln ob die unüblich hohen Drehzahlen denn realistisch sein können: 2,7 U/s bei 2 m/s und 23 U/s bei 17 m/s.
Außerdem haben wir bisher kaum Informationen über die Bauform des Savonius gefunden.
Die Anzahl der Flügel stünde auch noch offen: Wir tendieren eher zu mehr Flügeln, weil wir uns bessere Anlaufeigenschaften (und besseres Unwuchtverhalten) versprechen, sind aber noch relativ ratlos, was das für die Leistungsdaten oder Schnelllaufzahl bedeuten würde.

Weitere Herausforderung ist, einen Motor zu finden, der als Generator eingesetzt entsprechende Eigenschaften hat: Vor allen Dingen hohe Spannung beim Anlauf (idealerweise 3V bei 2 m/s bzw. bei 2,7 U/s).
Und natürlich eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, die unter der des Savonius liegt. Vielleicht gibt es hier im Forum jemanden, der Tipps für passende Motoren geben kann.

Die erzeugte Spannung soll (je nach Generator) gleichgerichtet und geglättet werden. Anschließend erzeugt ein Step-Down-Regler eine Festspannung von etwa 3V. Dieser kann durchaus auch mehrere Dutzend Volt auf 3V stabilisieren.

Mit dieser Festspannung soll ein Doppelschichtkondensator mit mehreren Farad geladen werden.

Ein dazugeschalteter Microcontroller soll den Verbraucher steuern (angedacht ist hier eine beliebige LED-Steuerung).
Außerdem könnte über den Microcontroller eine Art Bremsschaltung gegen Überlastung realisiert werden: Ein Transistor würde die Generatorwicklung pulsweitenmoduliert kurz schließen.

Vielleicht könnt ihr uns ein paar Tipps (vielleicht einfach auch nur Literatur) zu den genannten Problemen geben.

Mit besten Grüßen,

Thomas R.

[lumi]

hallo Thomas,

vielleicht hilft dir diese "kleine Spinnerei" weiter:

1. viewtopic.php?f=10&t=992#p13888
2. viewtopic.php?f=10&t=992#p13937
3. viewtopic.php?f=10&t=992&start=10#p13944

Beide Beiträge beziehen sich auf einen kleineren privaten Nachbau dieses Windrads:



Das wäre mal was ganz neues und komplett selbst zusammenzubauen, also inkl. Generator. Man brauch keine Präzisions- und Profigeräte um zum Ziel zu kommen.

Der Savonius scheint für viele immer der einfachste kleine Nenner für einen Nachbau sein. Leider ist die Generatorauswahl für diesen Drehzahlbereich arg eingeschränkt.

lumi

[Ekofun]

Hallo Thomas,

ich kann nicht viel üer Elektronic sagen,kann nur auf Buch vom Schulz Heinz aufmerksam machen.Das ist eine Einleitung für Savoniusbau und Durchstromrotoren die Drei Flügel haben.

Buch ist vom 1989, vom Ökobuch Verlag ISBN 3-922 964-48-6.

An sonsten habe Savonius (kleine) schon gebaut und habe auch hier in Forum
ein Beitrag Savonius dimensioniren gemacht.Technik der Aerodinamik ist inerhalb 22 Jahre(vom 1989) warscheinlich weiter gegangen und das Buch ist warscheinlich überholt,aber gibt gute Grundwissen.

Viele Grüße

Ekofun

[Bernd]

Hallo Thomas und herzlich willkommen im Forum.

Bei einem Durchmesser von 20cm entspricht eine Drehzahl von 2,7 U/sek bzw. 144 U/min bei einer
Windgeschwindigkeit von 2m/s einer Schnelllaufzahl von ca. 0,85.
Das erscheint mir erstmal grundsätzlich im Bereich dessen dessen was man erwarten sollte.
In vielen Dokumenten kann man von einer Leerlaufzahl Schnelllaufzahl von 1,6 lesen.
Ich halte das für übertrieben. Euer Wert scheint mir praxisnah.

Euer Windrad wird bei 20cm Durchmesser mal 5cm Höhe ein hundertstel Quadratmeter Fläche haben.
Bei 2m/s stecken in einem Quadratmeter ca. 5 Watt.
In einem hundertstel Quadratmeter stecken dann ca. 0,05 Watt oder 50 mW.

Meine bisherige Erfahrung ist, das so eine geringe Leistung meist nicht mal ausreicht um eine normale Lagereibung
zu überwinden. Es muss also schon die Lagerung selbst äussert leichtgängig konstruiert werden !!
Zum Andrehen eines herkömmlichen eisernen Generators der in der Lage wäre aus 144 U/min 3V oder mehr
zu machen reichen 50mW nach meiner Einschätzung ganz sicher nicht. Es muss also auch beim
Generator etwas besonderes genommen werden. Der Generator muss auch äussert leichtgängig sein.
Gleichzeitig muss er aus nur 150 U/min schon 3 Volt oder mehr erzeugen. Keine einfache Kombination.
Wegen der Leichtgängigkeit wäre eine eisenlose Konstruktion wünschenswert, muss aber nicht sein.

Um ehrlich zu sein glaube ich derzeit nicht das ihr aus Wind mit 2m/s bei solchen Minidimensionen, die denen eines Anemometers
entsprechen und den anstehenden 50mW Windenergie incl. der Lager- und Generatorverluste und dem Windradwirkungsgrade etc. noch Leistung
übrig habt die man dem System entnehmen könnte. Selbst im idealsten Fall wären da kaum mehr als 10 mW drinn.

Ab 3m/s aufwärts wird das ganze dann schon deutlich einfacher. Ab ca. 4m/s sehe ich dann wenig Probleme.

Um ein Fertigprodukt eines Generators zu nennen wäre vielleicht ein "Solarmotor", wie er oft für Experimente angeboten
wird, einen Versuch wert. Natürlich wäre auch ein Eigenbau eines Generators denkbar aber der würde dann vermutlich
nicht so ganz klein ausfallen. Ansonsten kommen alle Minimotoren mit besonders geringer Drehzahl in Frage.
Hier kann man sich grob an der Nennangabe für Spannung und Drehzahl oriientieren.
Wenn so ein Motor beispielsweise die Angabe 12 Volt 3000 U/min besitzt, dann liefert er pro U/min ca. 0,004 Volt.
Das entspricht 12 Volt durch 3000U/min = 0,004 Volt. Bei 144 U/min wären es dann ca.0,57 Volt und somit für unsere
Zwecke zu wenig.

Grüsse

Bernd

[Thomas R]

Erst einmal vielen Dank für die schnellen Antworten!
In der Tat haben mir die Antworten geholfen, um die Problematik mit dem Motor besser einschätzen zu können.

Über die Bauformen eines Drei-Flügel-Savonius werde ich mich mal anhand des Buches schlau machen.
Anscheinend wird so ein Aufbau aber nicht sehr starken Einfluss auf die Leistungen und Drehmomente machen.

Bernd, dein Einwand mit dem Motor war gerechtfertigt.
Für den Anlauf steht uns lediglich ein Drehmoment von 0,5...1 Nmm zur Verfügung.
Aber das müsste unter Verwendung eines "Glockenankermotors" ausreichen. Diese Motoren sind eisenlos und extrem leichtlaufend.
Im Modellbaubereich werden Motoren für höhere Spannungen (bis zu 48V) bei relativ geringen Drehzahlen 1250 U/min verwendet. (Leerlaufdrehzahl ist allerdings 8200 U/min, das spricht aber immerhin für den Leichtlauf)

So einen Motor bekommt man beispielsweise hier: http://www.lemo-solar.de/default_1.htm
Dann auf "Sonderposten" und "Glockenankermotor 48 Volt / 22 Ø x 33 mm / 2,8 Watt"
Der Artikel lässt sich leider nicht direkt verlinken.

Ich habe mir die Spezifikationen anhand einschlägiger Bücher berechnet und die Werte passen gut zu unseren Anforderungen:
Beim Anlaufen können wir zwar noch keinen Verbraucher betreiben, aber der Microcontroller schaltet sich schon bei unter einem mW (Generatorleistung) ein und der Kondensator wird wenig, aber kontinuierlich geladen. Windböen sorgen für zusätzliche stärkere Ladung.

Ich habe mal die Excel-Datei angehängt, mit der ich mir die Werte berechnet habe.

Viele Grüße,
Thomas

[Thomas R]

Ach ja: Nachdem wir uns überlegt hatten, die Flügelelemente zwischen zwei Kunststoffplatten (mit ausgefräster Nut in Flügelform) zu spannen, wäre es ja praktikabel, höhere Flügel einsetzen zu können, für den Fall, dass die erzielte Leistung zu klein ist. Damit bleibt uns dann noch ein wenig Spielraum.