50cm C- Rotor Prototyp

[Bernd]

Heute hatte ich Gelegenheit die Lautstärkentwicklung des C- Rotors bei starken Wind
unter Belastung des Generators,also Ladevorgang sowie im Leerlauf zu beurteilen.
Ich musste nämlich heute Rasen mähen, weswegen das Stativ erstmal auf die Terasse verbannt wurde.



Anschliessend stellte ich das Stativ genau dorthin, wo später auch mal der Masten für ein grosses
Windrad stehen soll. Es ist der südliche Rand meines Grundstücks der direkt an ein Feld grenzt und
wo weit und breit keine Hindernisse den Weg versperren könnten.
Sehr zu meinem Erstaunen, aber im Grunde logisch, scheint die Hecke den Wind, der vom Feld
kam, anstatt ihn zu bremsen ihn nach oben abzulenken, genau dorthin wo der C- Rotor "auf ihn wartete".
Das war mir anfänglich noch nicht so bewusst, erst als ich beim Rasenmähen sah das sich der Rotor wie wild
drehte, ging ich hin und lies den Rotor zunächst mal im Leerlauf hochdrehen.



Wie auf dem Fahrradtacho noch zu sehen ist, waren es heute max. 302 U/min die der Rotor dabei erreichte.
Das dürfte 9 - 10m/s entsprechen. Dann holte ich die Kamera um einmal die angezeigten Werte für U/min
und Ladestrom zu fotografieren. Gleichzeitig konnte ich ermitteln das sich bei ca. 155U/min 0,5A einstellen
und der Strom auch bei höheren Umdrehungen nicht weiter ansteigt. Das ist typisch für die Kennlinie eines Nabendynamos.

.

Obwohl der Wind zeitweise sehr stark blies (als eine dunkle Wolke vorbei zog) war es hinter der Hecke
nahezu windstill. Wäre ich Raucher, ich hätte mir problemlos eine Zigarette anstecken können, während
oben der C- Rotor wie wild drehte. Das war DIE Gelegenheit auf die vom Rotor abgegebenen Geräusche
zu lauschen. Zunächst horchte ich bei unbelasteten Rotor im Leerlauf. Es war kaum etwas zu hören, ein leises
Wispern ähnlich einem schnellen wup wup wup wup, aber sehr leise. Sobald ich den Kopf hoch nahm und ich
den Wind an die Ohren bekam, war der viel lauter als der Rotor.
Dann das gleiche unter Belastung. Ich schaltete den Akku an der dann vom Rotor geladen wurde.
Das gleiche Ergebnis, vielleicht sogar noch etwas leiser. Alles in allem kann man, besonders im Vergleich
zu diversen anderen Windrädern, von einem nahezu lautlosen Betrieb sprechen.



Es macht echt sehr viel Spaß mit dem Teil zu experimentieren.

Grüsse

Bernd

[Carl von Canstein]

Ja, mit einem kleinen Windrad wie diesem laesst sich mobil noch leicht der ideale Standort ermitteln. Dann hoerst Du also ganz schwach dieses Wup - wup - wup? Das ist das typische Geraeusch, welches mir auch bekannt ist. Mit der Groesse des Rotors nimmt es an Staerke zu. Ich selber habe es nie als unangenehm empfunden, auch nie Klagen von Nachbarn zu hoeren bekommen. Sieht toll aus mit dem Stativ vor dem Hintergrund der Hecke. Riesig, aber das macht wohl die Hecke, die in ihrer Siluette einem kleinen Tannenwald aehnelt und so optisch taeuscht. Der Rotor ist ja nur 50cm x 50cm gross!
Mit 300 Umdrehungen koennte man auch gute andere Permanentmotoren direkt antreiben und Ladestrohm erzeugen, aber soviel Wind duerfte wohl eher selten sein.
Gruss, Carl

[Menelaos]

Hallo Bernd!
Gibt es schon etwas neues zur Leistung und zum Wirkungsgrad zu berichten?

Was ich mich noch gefragt habe ist ob man so einen Nabendynamo eigentlich irgendwie aufmachen kann, schrauben oder ähnliches?

Wenn dem so wäre, könnte man beim Dynamo ja auch relativ leicht und mit wenig Aufwand die Spulen abwickeln und mit verkleinertem Querschnitt und doppelter Windungszahl neu wickeln. Das würde meiner meinung nach aus zu einer höheren Spitzenleistung führen da die Verluste geringer würden die durch die eingebaute Leistungsbegrenzung entstehen. Gleichzeitig würde er vielleicht sogar noch effektiver was den Wirkungsgrad angeht da die Nuten in denen sich die Wicklungen befinden selten voll gefüllt sind und dadurch noch Platz zur Optimierung bieten, zumindest war das bei einem normalen Synamo so den ich mal aufgeschraubt hatte.

Gruß
Max

[Bernd]

Hallo Max, ja es gibt schon Meßwerte und einige Erkenntnisse, mal sehen vielleicht tippe ich
das nachher noch hier rein.
Zum Dynamo, der Nabendynamo ist ein Klauenpolgenerator und besitzt nur eine einzige Spule
in seinem Inneren. Auseinander habe ich ihn noch nicht genommen, ich kenne nur Abbildungen
wo man das Innenleben erkennt.
Derzeit sehen die Dynamowerte so aus:
Ladebeginnspannung für 6V Akku bei ca. 29 U/min
Ladebeginnspannung für 12V Akku bei ca. 58 U/min
Max. Leistung bei 6V Nutzung ca. 3 Watt bei ca. 155 U/min
max. Leistung bei 12V Nutzung ca. 6 watt bei ca. 310 U/min

Ein Umwickeln mit doppelt soviel Windungen würde den Ladebeginn weiter nach unten drücken
da sich die Spannung verdoppeln würde, leider aber auch der Innenwiderstand, der jetzt schon
2 Ohm beträgt. Aber wer weiss, vielleicht wäre noch genug Platz um dickeren Draht zu verwenden.

Der max. mögliche Strom beträgt aber immer nur 500mA. Das resultiert aus der Konstruktion
mit Eisenkernen die dann in die Sättigung geraten. Das heisst eine Mehrleistung würde
sich erst bei der Nutzung eines Akkus mit höherer Spannung ergeben, und jetzt nicht lachen,
z.B. eines 24V Akkus. Das klingt absurd angesichts der Nennangabe 6V des Dynamos, aber jetzt
schon lade ich OHNE Verdopplerschaltung einen 12V Bleiakku und daher könnte man mit doppelter
Windungszahl dann sehr wahrscheinlich auch einen 24V Akku laden.

Grüsse

Bernd

[Bernd]

Erste Testergebnisse:

Der Mini C- Rotor ist jetzt seit einigen Tagen mit einem Datenlogger verbunden.
Der Datenlogger zeichnet permanent die Werte für Generatorspannung, Generatorstrom,
Windgeschwindigkeit und Rotordrehzahl auf. Über eine Adapterplatine mit RJ 45 Dosen
und einigen Messwiderständen efolgt der Anschluss des Windrades zum Messcomputer
in der Wohnung. Gleichzeitig wird an diese Platine, diesmal über Schraubklemmen, der
Ausgang des Gleichrichters und der 12V Akku angeschlossen. Der Gleichrichter befindet
sich nicht auf der Platine.



Da wir nun einige Tage mit teils kräftigen Wind hatten, konnte ich etliche Messwerte
aufnehmen. Die Windgeschwindigkeit ermittle ich derzeit mit einem sehr stabilen,
aber leider auch sehr trägen Anemometer in der Nähe des Rotors. Ich werde wohl die
Edelstahlhalbschalen des Anemometers gegen welche aus Kunstststoff austauschen,
denn im Augenblick beschleunigt der C- Rotor schneller als das Anemometer.



Die Messwerte gelangen über ein LAN-Kabel bis zum eigentlichen Datenlogger, der die
Meßwerte in grafischer Form darstellt und auch archiviert. Es ist beeindruckend wie schnell
sich die Drehzahl des Rotors verändert. Will man nun die aktuelle Windgeschwindigkeit im
Verhältnis zur Rotordrehzahl bzw. Abgabeleistung beurteilen, hat man das Problem das wie
gesagt das Anemometer träger reagiert als der Rotor samt Generator. Die farbig markierten
Linien zeigen die Werte für Spannung (weiss), Strom (blau), Drehzahl (grün) sowie
Windgeschwindigkeit (rot). Hier ein Bild wo der Wind mal etwas kräftiger blies:



Folgende Messwerte konnte ich am Mini Canstein ermitteln:

Andrehen bei : 1,5 - 2,5m/s (je nach Rotorstellung zur Windrichtung)
Weiterdrehen bei nachlassenden Wind : bis ca. 1,2m/s
Ladebeginn mit 12V Akku und Brückengleichrichter: 2,4 - 2,9 m/s (je nach Ladezustand des Akkus)
Ladebeginn mit 12V Akku und Verdopplerschaltung: 1,9 - 2,3 m/s (je nach Ladezustand des Akkus)

Ladeströme mit Brückengleichrichter :
3,0 m/s = ca. 20 mA
3,5 m/s = ca. 40 mA
4,0 m/s = ca. 65 mA
4,5 m/s = ca. 88 mA
5,0 m/s = ca. 115 mA
6,0 m/s = ca. 200mA
7,0 m/s = ca. 305mA
8,0 m/s = ca. 410mA
9,0 m/s = ca. 450mA
(um 400mA knickt die Leistungskurve des Dynamos gesetzlich vorgeschrieben langsam ab. Mehr als ca. 500mA sind
bauartbedingt und wiederum per gesetzlicher Vorgabe, nicht drinn)

Was ich noch feststellen konnte :
Durch das Beobachten der Messwerte fand ich heraus, das eine korrekte Abstimmung zwischen
Rotordrehzahl und Windgeschwindigkeit sehr wichtig ist ! Man könnte es auch so ausdrücken, das
man dem Rotor nicht zuviel Energie entnehmen sollte, sonst sinkt seine Drehzahl weit ab und der
Rotor verlässt den idealen Arbeitspunkt seiner Lesitungskennlinie.
Ich hatte zunächst die Verdopplerschaltung im Einsatz, musste dann aber feststellen das der Rotor
dadurch zu stark belastet und herunter gebremst wurde, was eine geringe Leistungsabgabe zur Folge hatte,
denn die Leistung ist ein Produkt aus Drehmoment und Drehzahl, und letztere sollte daher nicht zu sehr
in die Knie gezwungen werden.
Ich rüstete dann auf normalen Brückengleichrichter um, mit dem Erfolg das der Rotor bei gleicher
Windgeschwindigkeit nun fast doppelt so schnell rotieren konnte. Die Leistungsabgabe stieg dadurch
um ca. 50 % an !! Das zeigt sehr deutlich, wie wichtig es ist den Rotor möglichst auf dem Gipfelpunkt seiner
Leistungskurve zu halten, also ihn weder zu wenig noch zu stark abzubremsen damit er immer die
beste, zur Windgeschwindigkeit passende, Drehzahl halten kann. Ohne Ladeelektronik, die das
berücksichtigt, liegt man wohl selten optimal, aber unser Miniwindrad sollte ja bewusst einfach
aufgebaut sein.

Alles in allem sind die Leistungen natürlich relativ bescheiden und sicher zum Teil dem bewusst einfachen
Aufbau ohne Ladeelektronik und dem einfachen Nabendynamo, geschuldet. Auch trägt die Kennlinie des
Dynamos dazu bei, das ab ca. 8m/s der Leistungsanstieg stagniert und bei ca. 6 Watt sein Ende findet.
Aber immerhin sind 6 Watt doppelt so viel wie die reguläre Angabe des Dynamos lautet.

Grüsse

Bernd

[Menelaos]

Fantastisch, Bernd...das war echt tolle Arbeit...Woher hast du denn den Datenlogger, sieht teuer aus...?
Nun kann man sich daran machen und versuchen den Wirkungsgrad des Rotors für die verscheidenen WIndgeschwindigkeiten zu bestimmen. Der des Generators ist laut Litereatur mit etwa 30 bis max. 35 % anzusetzen....

Gruß
max

[Bernd]

Der Datenlogger ist von einem Freund der sich schon seit vielen Jahren mit Windenergie beschäftigt.
Dieses Profigerät ist extrem flexibel einsetzbar und lässt keine Wünsche offen. Neupreis ca. 2500 Euro.
Der Preis ist natürlich der Hammer, aber dafür kann die Maschine wirklich alles was man sich in Sachen
Meßtechnik nur vorstellen kann. Für unsere Zwecke einfach ein Traum. Meßwerte werden derzeit
1 x pro Sekunde ermittelt.

Was den Dynamowirkungsgrad betrifft, so bin ich immer von ca. 50% ausgegangen. In diversen
Tests liegt er drehzahlabhängig zwischen 40 und knapp 58%, allerdings bei einer Belastung mit
(den gesetzlich im Fahrradbetrieb geforderten) 12 Ohm.
Wenn ich meinen Dynamo anstatt mit dem 12V Akku mit 12 Ohm belaste (hab ich schon ausprobiert) dann
wird die Nennleistung bei viel zu geringen Drehzahlen abgegeben, es entsteht eine Fehlanpassung zur
Rotorleistung, der Rotor dreht nur noch bei Starkwind vernünftig.
Das war auch der Grund warum ich von der Verdopplerschaltung zurück zur normalen Brückengleichichtung
gegangen bin, nämlich damit der Rotor bei höheren (für ihn passenderen) Drehzahlen arbeiten kann.

Folglich verrichtet der Dynamo nun bei höheren Drehzahlen seinen Job, als er es unter der normalen
12 Ohm Belastung am Fahrrad machen würde.
Mir stellt sich dabei die Frage, wie sich das auf den Dynamowirkungsgrad auswirkt. Ich denke er nimmt
dadurch ein wenig ab, da die Leerlaufverluste bei höheren Drehzahlen ansteigen.

Grüsse

Bernd

[Andre]

Hallo Bernd, das ist mal wieder unübertroffen. In diesem Falle schaut wirklich bei mir der Neid (im positivsten Sinne) aus jedem
Knopfloch.

Da wir ja aber unseren, in elektronischen Dingen, begnadeten Jürgen (jb79) haben, kann sich das bald jeder selbst zusammenbauen.
Da freu ich mich schon richtig drauf. Wer's noch nicht gesehen haben sollt ... hier lang viewtopic.php?f=19&t=164

Bernd hatte ja im Generatorbereich schon mal nach Wirkungsgraden bei höherohmiger Belastung des Nabendynamos gefragt (viewtopic.php?f=8&t=203) aber leider noch keine Antwort erhalten. Wäre natürlich super wenn uns da noch jemand auf die Sprünge helfen könnte.

Gruss
Andre

[Carl von Canstein]

Grossartig, Bernd!
Egal, was fuer ein Ergebniss fuer uns am Ende herauskommt, fuer diese saubere Arbeit muss ein Applaus her:
Bravo, Bernd!

[jb79]

Tolle Messungen Bernd!
Als Fazit würde ich jetzt daraus ziehen, daß es ab etwa 3m/s Sinn macht einen Brückengleichrichter einzusetzen und darunter quasi kein Ladestrom generiert werden kann (Verdopplerschaltung mal ausgenommen). Die Ladekennline (habs mir schnell in ein Diagramm gegeben) geht fast linear nach oben und beginnt bei ca. 400mA abzuknicken, man sollte also in diesem Lastbereich bleiben und die ca. 400mA als Maximum ansehen. Es scheint so als würde da der magnetische Kreis des Generators beginnen in die Sättigung zu gehen, man kriegt da also kaum mehr zusätzliche Energie raus.

Habe schon mal von Schaltreglern gesprochen, jetzt kommt wohl deren Stunde, denn mit einem Schaltregler kann man z.B. den Generatorstrom bei sagen wir mal 12m/s auf 400mA halten, die Spannung wird dann natürlich irgendwo bei sagen wir mal 20V rumgeistern was ca. 8W bedeuten würde. Einen Inverswandler halte ich aber inzwischen für wenig sinnvoll, denn um eine Spannung hochzusetzen braucht man Strom, der bei niedrigen Drehzahlen dann eh nicht vorhanden ist bzw. die auf diese Weise erzielbare Leistung zu gering ist um sinnvoll laden zu können. Also wirds ein Step-Down Converter werden der ohnehin einfacher zu bauen ist als ein Inverswandler.
Der Schaltregler macht also jetzt aus den 20V ca. 14V (mein Modellbauladegerät hat diese Spannung für Bleiakkus als Ladeschlußspannung vorgegeben). Dabei steigt natürlich der Strom durch den Akku, bei 100% Wirkungsgrad würde man da einen Ladestrom von 571mA bei 14V erreichen, bei leerem Akku noch mehr (z.B. 666mA bei 12V).
Höhere Drehzahlen sind auch kein Problem, bei gleichem Generatorstrom kann eine höhere Spannung und gleichzeitig mehr Ladestrom generiert werden.

Das alles ist aber nur mal Theorie, da ich nicht weiß wie sich der Generator bei höherer Drehzahl verhält wenn er den Akku eben nicht direkt laden muß sondern das per Schaltregler macht der den Generatorstrom niedrig und die Generatorspannung dabei hochfahren läßt. Zum Testen müßte man sich einen Verbraucher bauen, der konstant sagen wir mal 400mA verbraucht und dann einfach die Spannung messen. Das ginge mit einem einfachen 5V Spannungsregler (7805) und einem Widerstand von 12,5Ohm der zwischen Ausgang und Masse des Reglers kommt. Regler+ dann an Generator+ (bzw. + vom Gleichrichter) und Regler- an eine Last (z.B. zwei 12V Lampen in Serie), die zum Generator- gehen. Dann könnte man testen ob bei hohen Drehzahlen und geringem Strom (400mA) die Spannung weiter ansteigt und damit auch die Leistung. Den Regler sollte man dabei kühlen.