Speicherung mit Lithiumzellen

Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon volker » So 2. Mai 2010, 13:59

Hallo Freunde der VAWT,

seit Längerem verfolge ich Eurer Forum sehr aufmerksam.
An alle erst mal viele Grüße und vor allem Dank, dass Ihr hier Eure Ideen zur Windnutzung der Öffentlichkeit zugänglich macht.
Ingesamt sind das alles sehr interessante Projekte.
Nun, warum möchte ich mitmachen?
Dazu wäre anzumerken, dass ich vor einiger Zeit mit einem Savonius-Rotor aus GFK begonnen habe und sehr schnell feststellte,
das ja auch ein entsprechender Generator passen muß.
Der inzwischen abgebaute Rotor war zwar nicht optimal, aber ich wollte zunächst einmal nur die Robustheit der von mir gewählten Leichtbauweise ohne Endkappen herausfinden.
So fasste ich mal kurzerhand den Entschluß drei Flacheisen für oben und unten im dreieck jeweils 60 Grad versetzt aneinander zu schweißen und dazwischen die drei Schalen aus einer Lage Glasfaser auf jeweils 120 Grad versetzt zu montieren.
Die Schalen habe ich im Handauflegeverfahren auf ein 50 cm Fernheizungsrohr gefertigt.
Jeweils an die seitlichen Enden, habe ich ein Rohr mit 12 mm durchmesser einlaminiert. Diese Rohre
im Verbund von 120 Grad sollten die sonst erforderliche Mittelachse ersetzen. die Flacheisen wurden dann mit speziellen Dübeln im Rohr verankert.
Der fertige Rotor wurde auf einem VW-Achsstumpf mit Kegelrollenlager einseitig montiert.
Das Ding eierte zwar ein wenig aber der Anfang war gemacht.
Und er drehte und drehte und drehte, in einer Höhe von gut einem Meter.
Kyrill hat er dann auch überstanden, er war trotz schwerem Fuß aus U-Eisen dann umgefallen.
Dann gabe es Ärger mit dem Vermieter so das ich das Ding letztlich demontiert habe.
Nun denke ich die Ganze Zeit darüber nach, wie man eine Batterieladung bei kleinen Drehzahlen und Windleistungen
erreichen kann und auch die anstehenden Böen und höheren Windgeschwindigkeiten abfassen kann.
Meine Überlegung und Konzept:
Man nehme nach der Gleichrichtung pro Phase zunächst eine hochstromfähige Lithium Zelle mit entsprechend hoher Kapazität als Zwischenspeicher.
Diesen Zwischenspeicher mit 3,2 Volt Nennspannung greife ich bei einphasigen Systemen anschließend mit einem Hochsetzsteller ab und erzeuge so die Spannung für die konventionell laufenden Blei-Batteriesysteme.
Der Ladebeginn könnte damit schon bei 2,6 Volt einsetzen und der generator könnte sehr niederohmig ausgelegt werden.
Die Anpassung Generator und speicher ist derzeit sowieso nicht optimal oder nur mit Kompromissen zu gewährleisten.
Was haltet Ihr davon ?
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon jb79 » So 2. Mai 2010, 22:23

Hallo!

Denke daß du durch die hohen Ströme im Gleichrichter und dem folgenden DC/DC Wandler nur unnötig hohe Verluste haben wirst.
Nebenbei gesagt wäre eine Anpassung der Leistung zu deren Maximierung ganz gut, das geht nur mit einem geregelten DC/DC Wandler. Generell sind höhere Spannungen besser zu handhaben, wenn es darum geht Leistung zu übertragen.
lg Jürgen
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon finn » So 2. Mai 2010, 22:56

ausserdem sind Lithiumzellen doch die dinger, die sich bei kleinsten Überschreitungen der Ladeschlussspannung mit ner großen Wolke verabschieden, oder?
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon jb79 » Mo 3. Mai 2010, 11:22

Nun ja, das sind hauptsächlich die LiPos (Lithium Polymer) Akkus, die im Modellbau eingesetzt werden. Darum darf man die, wenn sie in Serie geschalten sind auch nie ohne Balancer einsetzen. Sonst könnte die Spannung einer Zelle nämlich das zulässige Maximum überschreiten, was zu starker Erwärmung und letztendlich dann Explosion der Zelle führen kann.
Auch sind Lithium Akkus noch nicht wirklich hochstromladefähig, LiPo Akkus haben momentan Laderaten von 1C, bessere erreichen schon 2C, LiFe Akkus hingegen schon 4C, das bedeutet ein 2Ah LiFe Akku kann mit max. 8A geladen werden, die zulässigen Entladeraten viel höher (so 20-30C), das macht dann etwa 40-60A, die man entnehmen darf. Um sehr schnell hohe Ströme aufzunehmen ist dieser Akkutyp also nicht gut geeignet.

Der Vorteil von Lithium Akkusliegt eher in der niedrigen Selbstentladung (ca. 5% im Jahr), die wird meines Wissens aber nur im Bereich von etwa 60% der Maximalladung erreicht, darüber ist die Selbstentladung durch die chemischen Prozesse in der Zelle etwas höher, aber trotzdem noch um Welten besser als alle anderen Akkus wie Bleiakkus, NiMh usw. Würde Lithium Akkus also eher einsetzen, um Energie über längere Zeiträume zu speichern, besonders wenn dann mal plötzlich größere Ströme gebraucht werden, z.B. für kleine, kompakte USV Systeme (bei den großen werden immer noch Bleiakkus eingesetzt, weil die immer noch günstiger sind).
lg Jürgen
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon Bernd » Mo 3. Mai 2010, 12:40

Hallo Volker und herzlich willkommen hier im Forum.

Den "Saft" zunächst in einen Akku zu laden und dann anschliessend in den nächsten Akku halte
ich energetisch für wenig sinnvoll da bei jedem Ladevorgang Energie verloren geht.
Wenn du einen Step up Wandler hast der ab 2,6 Volt arbeitet, dann kannst du diesen doch
auch direkt einsetzen um die Batteriebank zu laden ?

Besser sind aber Step down Systeme, weil sich hierbei die Verluste vom Generator bis zur
Elektronik vermindern. Das wichtigste aber ist das beim step down der Generator immer
in seinem "natürlichen" Spannungsbereich arbeiten kann, was Verluste ebenfalls drastisch
reduziert.

Grüsse

Bernd
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon volker » Di 4. Mai 2010, 00:13

Hallo und guten morgen hier,

vielen dank für die freundliche Aufnahme und Eure Anworten.
Zunächst muß ich wohl etwas präzisieren.

Bernd, es ist sicher energetisch nicht sinnvoll über eine Batterie und Hochsetzsteller andere Batteriesysteme zu laden.
Es ging mir bei meiner Überlegung auch nicht hauptsächlich darum andere Batteriesysteme zu laden.
Vielmehr geht es mir darum, die Einzelzellen dann als Bank in Reihe zu schalten dann mit Wechselrichter zu entladen.
Klappt übrigens ganz gut. Lade damit bereits meinen E-Roller im Garten.

Wie jb79 schon richtig feststellte, müssen in Reihe geschaltete Lipos im Ladeprozeß ausbalanciert werden.
Bei Einzelzellenladung entfällt ja dieser Schritt.
Es sind übrigens keine Modellbauakkus sondern richtige Industriezellen.
Gepulste Spitzenladeströme bis zu 120 A.
Lediglich die Tiefentladung und die Ladeschlußspannung muß verhindert bzw. kontrolliert werden. LiFe ist dabei nicht so anfällig wie die LIPOs was die Überladung betrifft.
Explosionsgefahr besteht heute wohl bei keiner geprüften und serienmäßig in den Handel gebrachten Lipozelle.
Brandgefahr ist hier schon eher gegeben. Aber auch das ist nicht unbedingt lustig.
Im übrigen ist es wohl eine Frage der Einhausung ob so ein Ding explodiert oder "nur" abfackelt.
Wer mal den Schwefel eines Streichholzes in einem hohlen Schrankschlüssel mit einem Nagel an der Wand gezündet hat, weiss das es erst dann richtig knallt.
Es sind übrigens keine Modellbauakkus sondern richtige Industriezellen.
Dauerladestrom 30 A 4C
Spitzenladeströme bis zu 120 A 16C
So viel zunächst zur LIPo Sicherheit.

Es ging mir bei der Überlegung hauptsächlich auch darum, mit einem Step down Wandler die Spannungsebene von Life bzw. Lipos Einzelzellen zu nutzen um diese beispielsweise mit dem Nabendynamo DH 3N71 zu laden.
Die Frage nach der Höhe des Verlustes bei der Gleichrichtung und im Wandler stellt sich natürlich bei dieser Spannungsebene.
jb79 du hast auch recht was das händeln der Ströme betrifft.
Was den Dynamo betrifft so arbeitet dieser mit 6 V Nennspannung bei 3W Nennleistung. Für den Akku brauche ich aber eine Ladeschlußspannung von max. 4,2 Volt und minimal 2,6-2,7 Volt.
Seine Nennwerte erreicht der ND aber doch erst bei rund 15 km/h also 4,16 m/s respektive rund 112 U/min bei einem 28 Zoll Rad. Oder liege ich hier falsch?
Für den Akku brauche ich aber nur eine Ladeschlußspannung von max. 4,2 Volt und minimal 2,6-2,7 Volt.
Das dürfte doch zunächst für den doch überwiegend "kleinen" Wind im Inland optimal für eine dauerhafte Speicherung sein.
Der Step down Wandler macht dann aus jedem überschüssigen mVoltlein :D bei höheren drehzahlen ein paar mAmplein :D mehr.
So das wars für heute morgen.
Hoffe von Euch zu lesen.

Grüsse
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon Bernd » Di 4. Mai 2010, 08:15

Nach meinen Messungen liefern die Shimano Nabendynamos (andere werden aufgrund der gesetzlichen Vorgaben ganz ähnlich liegen) ab ca. 30 U/min Ladespannung für einen 6V Akku und ab ca. 60 U/min kann man einen 12 Akku
direkt laden, ohne Wandler. Bei 12Volt Einsatz verdoppelt sich die Maximalleitung.
Bei den genannten Drehzahlen liegt der Ladebeginn. Die Maximalleistung erreicht man erst bei viel höheren Drehzahlen.

Ehrlich gesagt entzieht sich mir immer noch der Sinn zunächst in LiPos zu laden wenn direktes Laden doch auch möglich ist.

Grüsse

Bernd
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon jb79 » Di 4. Mai 2010, 09:51

So hohe Ströme wird man bei Nabendynamos ohnehin nie erreichen, was bei diesen niedrigen Spannungen wichtig ist, ist eine aktive Gleichrichtung. Ansätze dazu gibts im Elektronik-Subforum, damit erreicht man dann sehr niedrige Verluste im Gleichrichter, würde sagen für die Ströme, die im Nabendynamo auftreten kommt man sicher unter 100mV Verlustspannung am Transistor.
Wer es einfacher will kann immer noch eine Gleichrichterbrücke aus 4 Schottky Dioden bauen, die kann man mit den richtigen Dioden bei den Strömen, die aus nem Nabendynamo kommen auch verlustarm bauen.

Was dir in jedem Fall fehlt ist eine Laderegelung, denn selbst wenn du die Zellen parallel geschaltet hast wird die Generatorspannung normalerweise höher steigen wollen und die Anpassung Generator/Zelle ist nicht ideal.
Theoretisch betrachtet würde die Spannung an einem unbelasteten Nabendynamo mit der Drehzahl immer weiter steigen, bei Belastung bricht das Ganze dann bei der Nennleistung ein. Kann man die Belastung aber so steuern, daß der Maximalstrom nicht bei 6V sondern z.B. bei 12V fließt, so müßte man mehr Leistung rausbekommen können. Schon allein dafür brauchst du einen Step-Down DC/DC Wandler.
lg Jürgen
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon volker » Mi 5. Mai 2010, 08:56

Hallo jb79,

das mit der verlustarmen Gleichrichtung hatte ich mir so wie Du es beschreibst gedacht.
Bei parallel geschalteteten Zellen balancen diese sich ja selbst.
Balancen muß ich ja nur bei Reihenschaltung. Dazu muß ich ja eigentlich wissen, welche Zelle derzeit die schwächste in der Kette ist. Also brauche ich immer einen Referenzwert zu jeder Einzelzelle.Das wird dann schon etwas komplexer.
Das mit dem step down Wandler ist der Ansatz bei steigender Spannung des Generators die max. Ladespannung nicht zu überschreiten.
Wohl aber die ständige steigende Spannung in Anlehnung an die Kennlinie des G. dynamisch in Strom umzuwandeln.
Die Zellen haben in der Regel einen Innenwiderstand im mOhm bereich.
Damit ist auch der Nabendynamo gegenüber der Zelle relativ hochohmig.
In Reihe geschaltet werden die Zellen dann als Batterie mit entsprechender Spannung an Verbraucher angeschlossen.

Bernd,

ich spare mir beim Nur-laden der Einzelzellen je Phase die Balancerschaltung und die damit verbundenen Verluste.
Im übrigen will ich keinen Gedanken mehr an die herkömmlichen batteriesysteme verschwenden.
Ich bin der Meinung die Zukunft gehört den Lipos unter den Batteriesystemen.
Was den Nabendynamo betrifft so kann ich aus eigenen tests bestätigen, dass dieser beim Anschluß an eine
5W/12 Volt Rücklichtlampe zwischen 6-8 Watt liefert.
Auch das Sättigungsverhalten konnte ich gut beobachten, denn er lief mal testweise als Horizontalläufer und ab einer bestimmten Windstärke lief der einfach weiter statt wie zuvor schön zu bremsen.
Was deine gemessenen Werte betrifft, so müsste doch eigentlich bei einem unterstellten linearen Spannungsanstieg schon wesentlich eher für Lipos die Ladespannung erreicht werden können.

So erstmal einen schönen Tag allen
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Re: Speicherung mit Lithiumzellen

Beitragvon Bernd » Mi 5. Mai 2010, 09:10

Jo, eine LED leuchtet ja schon wenn man den Dynamo von einer zur anderen Rastung dreht.

Grüsse

Bernd
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