Generator für Windrad-Prototyp mit 40rpm

[Crys]

Ich (bzw. wir) bauen gerade ein Versuchsstand u.A. für ein Vertikalläufer Windrad, das sich voraussichtlich mit sich 40rpm dreht.
Dieser Prototyp kommt in ein Windkanal, wo u.A. die Leistung und Druckdifferenzen bei verschiedenen Luftgeschwindigkeiten gemessen werden sollen.

Meine Idee für einen Versuchstand ist ein Generator, der mit einer Übersetzung am Windrad befestigt ist. Auf der anderen Seite des Generators soll eine Elektronische- bzw. Labor- Last angeschlossen werden, mit der ich einen definierten Widerstand einstellen kann und somit das Windrad bei bestimmten Lasten fahren kann.

Es wird eine Leistung von max. ca. 200W erwartet. Bisher sind dafür zwei 90W Modellbau-Motoren mit 12V Ein-/Ausgang eingeplant.
Problem ist, dass diese Motoren eine Drehzahl von 5.000rpm haben und eine entsprechende Übersetzung benötigen. (Was ich mit Zahnriemen realisieren würde.)
Was für Generator/Motoren würdet ihr empfehlen? Wo gibt es diesen kurzfristig und günstig zu kaufen?

Der Versuchsstand soll erst mal nur 1 Tage im Betrieb sein, deshalb muss der Aufbau nicht allzu solide sein. Und ich möchte auch erst mal nur eine Abschätzung er Leistung haben, mehr auch nicht.

Außerdem benötige ich eine Bremse für das Windrad. Dazu würde ich gerne einfach die Achse mechanisch abbremsen. Habt ihr eine Idee dazu?

[Bernd]

Hallo Crys und willkommen im Forum.

Du könntest die Leistung auch sehr gut über die ja ohnehin erwünschte Bremse messen.
Klingt vielleicht erstmal aufwändig oder umständlich, ist es aber nicht und obendrein sehr genau und eine günstige Lösung.

Um die Achse eines Windrades abzubremsen kann man eine Bremse verwenden, die schon hunderte von Jahren bekannt ist, die Seilbremse.
Zu diesem Zweck wird ein Seil in Drehrichtung ein oder mehrere male um die Achse geschlungen.
Das Seil wird dann auf einer Seite fixiert und auf die andere Seite wird ein mehr oder minder starker Zug ausgeübt.
Dieser Bremstyp besitzt einen "Servoeffekt" ähnlich einem Bremskraftverstärkers. So kann man große Schiffe von Hand festhalten wenn
das Seil ein paar mal um einen Poller gelegt wurde.
Hier mal ein Beispiel bei dem die Bremse drehbar gelagert wurde so das man auf einfache Weise das Drehmoment messen und
aus Drehzahl und Drehmoment sehr genau die aktuelle Leistung ermitteln kann, dabei wird nicht bis zum Stillstand gebremst sondern nur
so stark bis man den Gipfelpunkt der Leistungsabgabe gefunden hat. Auch komplette Leistungskurven können so aufgenommen werden.


Falls du doch lieber einen Elektromotor/Generator als Bremse einsetzen möchtest würde ich Dir raten nicht mit so hohen Übersetzungen zu arbeiten.
Nicht nur das mehrstufige Übersetzungen verlustbehaftet sind, sie erhöhen vor allen auch die Leerlaufverluste (Leerlaufdrehmoment) des Generators.
Wie immer wäre ein eisenloser Generator eine ideale Lösung, aber das muss nicht sein.
Ohne Getriebe wird es aber bei nur 40 U/min nicht gehen, egal welcher Generatortyp.

Darf ich fragen wieso euer Windrad selbst in einem Windkanal mit nur ca. 40 U/min drehen wird?
Ich schätze es wird sich um ein Windrad nach dem Widerstandsläuferprinzip handeln?

Bei einer Leistung um die 200 Watt käme z.B. ein Nabenmotor für ein E-Fahrrad in betracht.
Auch z.B. ein DC Motor wie ich ihn für meine Elektromofa gerade gekauft habe wäre, mit entsprechender Übersetzung, geeignet.
Auch ein Servomotor aus der Industrie, mit vorgesetzen Planetengetriebe, wäre eine Möglichkeit.
Die gibt es öfter bei Ebay gebraucht recht günstig.

Ein großer Nachteil sämtlicher Generatorlösungen bei solchen Messungen ist neben dem Preis das, durch die nötige Übersetzung, große Anlaufmoment das die Messwerte verfälschen kann.
Ganz anders bei der Messung mit einer drehbar gelagerten Bremse wie oben beschrieben.
Dort wird tatsächlich die Leistung an der Welle gemessen, sehr genau und ohne Verluste/Verfälschungen durch die Generatortechnik
und vergleichsweise für fast kein Geld.
Hier noch mal ein Link wie ich das gelöst hatte: viewtopic.php?f=10&t=12&hilit=pr%C3%BCfstand


Grüsse

Bernd

[vm]

Hallo Bernd

Den kannte ich ja noch gar nicht , wirklich Simpel und Gut ( hätte mir viel Mühe erspart bei anderen Projekten )

Und völlig Nachvollziehbar, man lernt halt nie aus ( zumal die Lagerverluste für die Welle das Windrad so oder so ereilen werden )

Genial !!!

Mfg.Volker

[Crys]

Wow, vielen Dank Berd

Eigendlich genau so etwas habe ich gesucht. Ich habe schon etwas mit einem Flaschenzug aufgebaut, wo ein Seil nach oben gezogen wird, aber der Versuch würde immer nur so lange gehen, wie das Seil lang ist

Wenn ich das richtig verstehe, ist der Bremssattel frei drehend auf der Achse des Windrades gelagert. Wenn keine Waage angebracht ist, kann das sich um 360° drehen!?
Die Waage bei dir, ist an den Klettverschlüssel befestigt gewessen?
Und der Bremssattel hat einfach frei gegen die Waage gedrückt (?), wie du dann die Leistung berechnet hast.

Ja, mein Windrad ist ein Widerstandsläufer. Nach dem Prinzip eines "Vertikalachs-Windrad mit einzeln drehbaren Flügeln", dass auch noch horizontal (also liegend) montiert ist. Sieht fasst wie ein Wasserrad aus.
Im Windkanal kann ich bei meinem Versuchsstand Geschwindikeiten von bis zu 8m/s fahren, aber im Betrieb wird es eine Luftgeschw. von konstant 1,7m/s ausgesetzt und bei einen Radius von 40cm ergibt sich eben 40rpm. Deshalb messe ich eig. nur um diesen Bereich.

Da das Windrad eben horizontal montiert ist und der Windkana 6m hoch ist, würde ich den Aufbau mit den Bremssattel gleich lassen, aber das dein Messpunkt quasi nach oben zeigt. Dann würde ich in Richtung der anderen Seite ein Seil befestigen, dass 6m nach unten geht und dort einen Nowton-Meter hinhängen.

Das Bremsseil wird (denke ich) nach einiger Zeit loser werden? Wie kann ich dass dann am besten nachziehen?
Auf die 6m komme ich aber nur mit einer (sehr sehr langsamen) Hebebühne.

Ein Problem habe ich aber noch mit der Leistungsabschätzung:
Bei 1,7m/s, einen cw-Wert von 0,2 (für einen bewegten Wiederstandsläufer, rechteckig), eine Fläche von 0,9m² (je Flügel und es ist immer nur ein Flügel im Wind), komme ich auf eine Kraft von 266N. Bei einen Radius von 0,4m ein Moment von 106Nm? Stimmt das?
Bei den besagten 40rpm würde das 444W ergeben.

MfG,
Chris

[Bernd]

Hallo Chris,
meinst du wirklich 1,7 m/s ? Ich frage weil das absolut nichts ist, bezogen auf die Nutzung von Windenergie.
Bei 1,7 m/s laufen Windräder noch überhaupt nicht an und wenn doch sind sie nicht in der Lage Energie abzugeben.
Bei einer so geringen Windgeschwindigkeit lohnt sich eine Ernte auch nicht weil der Wind pro Quadratmeter nicht mal 4 Watt mit sich führt.

Vielleicht habe ich die Windgeschwindigkeit von 1,7 m/s auch falsch verstanden.


Grüsse

Bernd

[Crys]

Hallo Bernd,

doch, es sind wirklich nur 1,7m/s. Das aber über 8760h/a konstant.
Das können dann (mal ohne Generatorverluste) bis 4MWh/a sein.
Das Windrad hat eine Anlaufgeschw. von 0,7m/s (getestet).

Aber hier sollte es erst mal nicht um das Windrad selbst gehen, sondern wie ich den Prototypen richtig messen kann
Der Prototyp und Versuchsstand sind schon gebaut und bezahlt und der Windkanal gebucht.

Grüße,
Chris

[Bernd]

Aus deiner Rechnung schliesse ich das du in etwa von 450 Watt Nutzleitung für das Windrad ausgehst.
Wenn wir mal von 20% Wirkungsgrad für einen Widerstandläufer ausgehen (vermutlich sind es bei der Windgeschwindigkeit eher deutlich weniger) dann müsste so ein
Windrad um überhaupt erstmal 450Watt auf die Welle (vor dem Generator) zu bringen etwa eine Fläche gegen den Wind (Höhe mal Breite eines Vertikalläufers) von ca. grob
errechneten ca. 500 bis 600 Quadratmetern besitzen und das ohne Berücksichtigung von weiteren Verlusten im Generator etc. etc. !
Real müsste es vermutlich eher 1000 Quadratmeter haben.
Ich glaube du verkalkulierst dich gerade um eine oder mehrere Zehnerpotenzen.

Ist dein geplantes Windrad echt so ein riesen Teil ?

Man kann es auch so ausdrücken, bei 1,7m/s kannst du bei einem Windrad mit ca. 20% Wirkungsgrad pro Quadratmeter Windradfläche vielleicht 0,5 - 0,7 Watt ernten.


Grüsse

Bernd

[Bernd]

Bei 1,7m/s, einen cw-Wert von 0,2 (für einen bewegten Wiederstandsläufer, rechteckig), eine Fläche von 0,9m² (je Flügel und es ist immer nur ein Flügel im Wind), komme ich auf eine Kraft von 266N.

Vielleicht ist das ja der Grund für deine Fehleinschätzung.
Eine Fläche von 0,9m² wird bei fast Windstille von 1,7 m/s niemals einen Windruck von 266 N ausüben.
Mal abgesehen davon das die Wind einfangende Fläche eines Widerstandsläufers mehr als einen CW Wert von 0,2 haben sollte scheinst du dich um ein mehrhundertfaches verrechnet zu haben.

Die Formel für den Winddruck lautet:

W(Winddruck) = (Cw/2) * A * P * V²

Dein Beispiel:
W = (0,2/2) * 0,9 * 1,21 * 1.7²
W = 0,1 * 0,9 * 1,21 * 2,89
W = 0,314 N (Du hattest 266N ermittelt, fast das tausendfache)

Rechnet man das ganze mit einem Cw Wert von 2 verzehnfacht sich der Winddruck auf ca. 3,14 N

Bei einem Hebelarm von 40cm und einer Drehzahl von 40 U/min ergibt 0,314 N bzw 3,14N eine Leistung von 0,125W bzw. 1,25W


Grüsse

Bernd

[Crys]

Du hast absolut recht Bernd. Ich habe einen Fehler gemacht, ich habe die Zahlen nicht vom Prototypen, sondern von einer anderen Anlage genommen.
Dann wird alles auch um den Faktor 30 kleiner. Das habe ich bereits bei einem sehr ähnlichen Prototypen bestimmen können.
Die damaligen Flügelblätter hatten einen cW-Wert von 0,66 und bei Nenndrehzahl hat das einen Wert von ~0,2 (also 20%) ergeben, das muss man nicht noch mal drauf rechnen.
Außerdem haben wir einen korrektur Faktor, weil die Leisung offensichtlich nicht nur durch den Widerstand zu stande kommte. Genaues dazu muss noch untersucht werden, wir verwenden eben diesen empirischen Korrekturfakor, der ziehnlich genau passt.

Schlussendlich sei gesagt, eine Leistung von 15W bei 1,7m/s wird erwartet.
Was wirklich raus kam, kann ich gerne in ein paar Wochen posten.
Ich würde es gerne dabei soweit belassen


Aber wie sieht es jetzt mit den offenen Fragen aus Post #3 aus?

[Ekofun]

Hallo Crys,

mich interessiert wirklich sehr,ob Windrad eine Fläche von ca 25 m^2 hat,er soll solche Fläche haben wenn Sie 15 W bei 1,7m/s haben möchten??

Grüße

Ekofun