Nabendynamo Leistungsdaten?

[jb79]

Ja genau darauf ziele ich ab, eine Schaltung die das kann ist ein Step-Down Converter. Dieser arbeitet mit einer Spule zur Energiespeicherung und einem getakteten Schalter, der abhängig von der Eingangsspannung so getaktet wird, daß das Tastverhältnis (also die Einschaltzeit im Verhältnis zur Ausschaltzeit) indirekt proportional zum Verhältnis der Spannungen ist. Eine Eingangspannung von 30V bei einer Ausgangsspannung von 10V bedeutet ein Verhältnis von 1/3 (also 1 Zeiteinheit ein, 3 Zeiteinheiten aus). Der Wirkungsgrad von Schaltreglern ist relativ hoch, man kann ihn mit gutem Design über 90% bringen, größere Geräte erreichen noch mehr. Muß mal meine HTL Unterlagen zu dem Thema ausgraben wenn ich wieder zu meinen Eltern komme, wir haben sowas nämlich auch durchgenommen.
Mit den Strömen schauts genau umgekehrt aus, ein Verhältnis von 1/3 bei den Spannungen bedeutet 3/1 bei den Strömen, also 3-facher Ausgangsstrom. Durch kontinuierliche Strom und Spannungsmessungen kann man das Tastverhältnis bei einer quasi beliebig hohen Eingangsspannung (na ja es gibt gewisse Grenzen aufgrund von Bauteilen bzw. sinkt bei extrem hohen Verhältnissen der Wirkungsgrad) so steuern, daß ein Eingangsstrom von 400mA fließt.

Zu den Diagrammen: Man kann sagen daß 50% der Zeit der Wind zwischen 3 und 7m/s beträgt, bezogen auf die Erntemenge sollte man dann aber eher einen Bereich zwischen 7 und 11m/s zur Dimensionierung heranziehen, denn in dem Bereich wird das Produkt aus Zeit und Windenergie am größten.
Große Energiemengen kann man z.B. zur Warmwassergewinnung einsetzen (sofern man nicht schon ne Solaranlage hat, die das macht), es gibt aber sicher noch viele andere Dinge die häufig in Betrieb sind, denke da z.B. an diverse Kleingeräte wie Handyladegeräte, Switche, Router usw. Sie alle ziehen kontinuierlich ständig ein paar Watt, viele haben noch dazu ein altmodisches Trafonetzteil das viel Energie verbrät und laufen ohnehin mit Spannungen um die 12V oder darunter. Dort wo mehrere solcher Geräte stehen könnte man mit einem kleinen Akku, einem hochwertigen Schaltnetzteil und einer kleinen Schaltung ein System bauen, das sich prinzipiell vom Windrad speist, in schwachen Phasen dann aber mal das Schaltnetzteil anwirft wenn die Batteriespannung zu weit absinkt. Ich hab hier neben mir jetzt z.B. meine ausgemusterte Autobatterie (12V/70Ah) stehen, die ich alle paar Wochen mal auflade. Zwischendurch nehm ich die als Energiequelle fürs Laden von Modellbauakkus oder auch für verschiedene Tests von Schaltungen (hab da z.B. einen Entladestrom mit dem Datenlogger gemessen). Der Betrieb mehrerer kleiner Netzteile ist viel ineffektiver als der eines Computernetzteiles und eines hinten angeschlossenen Ladegerätes.

[jb79]

Btw: zurück zum Thema, wer kann eine entsprechende Meßreihe machen? Besser noch wären mehrere mit verschiedenen Strömen, dann könnten wir berechnen, bei welcher Belastung die größte Leistung herauskommt. Mein Tip sind ja ca. 400mA, denn dort biegt die Kurve ab, wegen des Sättigungseffektes, was dann auch ein Einbrechen der Spannung und damit der Leistung zur Folge hat.

[Bernd]

Zu den Diagrammen: Man kann sagen daß 50% der Zeit der Wind zwischen 3 und 7m/s beträgt, bezogen auf die Erntemenge sollte man dann aber eher einen Bereich zwischen 7 und 11m/s zur Dimensionierung heranziehen, denn in dem Bereich wird das Produkt aus Zeit und Windenergie am größten.

Thats it !
Absolut nüchtern technisch betrachtet ist das richtig, mir ging es genau darum das mal heraus zu stellen.
Aber wer will schon ein Windrad das erst bei 5 oder 6m andreht, selbst wenn das logisch betrachtet ok wäre
weil es dann bei höheren Windspeed effektiver arbeitet ?
Nein wir wollen sicher alle das sich das Ding nach Möglichkeit immer dreht. Auch die bessere Verteilung
der Erntemengen über das Jahr sprechen für eine Schwachwindnutzung, auch wenn dann bei 12m/s der
Wirkungsgrad vielleicht nicht so toll ist oder das Ding schon aus dem Wind gedreht werden muss.

Grüsse

Bernd

[Cyclone]

Ich plane den Bau einen "Nabendynamo-Messplatzes", denn für meinen Zweck sind die Teile geradezu Ideal.
Will dass Dynamo über einen Flachriemen antreiben, den Motor habe ich dafür schon organisiert.

Allerdings wird sich das noch ein wenig hinauszögern, denke mindestens 3 Wochen. Wie immer - zu wenig Zeit

Gruss,
Cyclone

[Bernd]

Ideal wäre ein Antrieb über einen "Klammergriff" der den Dynamo aussen greift und die
Dynamoachse frei lässt. Eine Drehbank mit ihrem Backenfutter wäre so ein idealer Antrieb.
Ideal deswegen, weil das Backenfutter den Dynamo nicht nur antreibt sondern auch gleich an seinem
Gehäuse festhält, denn nur dann kann man an die eigentliche Achse des Dynamos einen Hebel montieren
der sich auf eine normale Küchenwaage abstützt.
Mit Hilfe dieser Waage kann man dann den Wirkungsgrad und die mechanische Leistungsaufnahme
genau bestimmen, was für eine aussagekräftige Analyse sehr sehr hilfreich wäre.
Evtl. kann man sich eine ähnliche Vorrichtung z.B. aus Holz bauen, die man dann in die Bohrmaschine
einspannt. Gut wäre natürlich eine Antriebsmöglichkeit die bei geringen Drehzahlen drehzahlstabil
arbeiten kann.

Grüsse

Bernd

[jb79]

Eine Drehbank hätte mein Vater in der Werkstätte stehen, soweit ich weiß ist das eine Emco Maximat V10P.
Die einstellbaren Spindeldrehzahlen sind 60-120-240-315-480-630-1250 und 2500 U/min, also für den Windrad-Bereich nur bedingt geeignet, viel mehr als 315U/min wird man mit dem Canstein wohl nicht haben, oder?

[Cyclone]

Agree, ein Dreibackenfutter + Drehbank wäre ideal.
Das mit dem Wirkungsgrad habe ich nicht 100% verstanden. Könntest du ggf.
erklären, wie deine Herangehensweise dabei ist ? Habe auch irgendwo
gesehen, dass du zumindest eine Federwaage von der Firma Correx hast. Es gibt ja verschiedene
Messbereiche. Welche hast du verwendet ? 50 - 500 g ?

Als Motor habe ich einen starken Schrittmotor. Damit sollte es möglich sein,
einen drehzahlstabilen Betrieb zu ermöglichen auch bei kleinen Drehzahlen.
Mal sehen..

gruss,
jj

[jb79]

Die mechanische Antriebsleistung Pmech = Drehmoment*Drehzahl/9550, Drehzahl in U/min, Drehmoment in Nm und Leistung in kW, wenn man W haben will, einfach nur mit 9,55 multiplizieren. Das Drehmoment wird vom Achsmittelpunkt z.B. mit einem m langen Stab gemessen, indem man den Stab fest mit der Achse verbindet und am anderen Ende auf die Waage drückt (logischerweise sollte sich das Ganze in der richigen Richtung drehen, so daß bei Rotation dann ein Druck auf die Waage entsteht. Vor dem Einschalten die Waage auf 0 stellen, denn durch das Gewicht des Stabes wird schon ein Wert angezeigt und man will ja möglichst keinen unnötigen Meßfehler.
50-500g müßte bei 1m Stablänge locker reichen, das wären dann 0,05-0,5Nm, bei einer Drehzahl von 100 Umdrehungen/min müßte man da schon eine Leistung von bis zu 477W messen können, also eigentlich schon zu viel, würde schauen daß du eine Waage nimmst die eine Zehnerpotenz niedriger arbeitet (5-50g), alternativ kannst du auch den Hebelarm verkürzen (z.B. 50cm), damit verdoppelt sich der Wert, den du für das Drehmoment mißt, also nachher die Leistung schön durch 2 dividieren.

[Menelaos]

Es funktioniert folgendemaßen.

An die Welle des Dynamos (bei herkömmlichen generatoren ans Gehäuse) befestigt man einen Hebel. dessen ende auf einer Wage ruht. Dabei sollte man beachten, dass dieser Ausleger genau horizontal steht bzw im rechten WInkel zur Waage, da sich sonst die Kräfte verteilen und Quatsch rauskommt.

Auch muss man, da z.B. das Rasten eines Generators vor dem ersten ANlauf darauf einfluss hat, das Gewicht des Hebels auf der Wage vorher testen, sprich horizontal zur Wage an der Stelle frei lagern an der später auch die Welle des Generators angebracht wird. Nun setzt man die Wage auf Null und befestigt den Generator. Er wird nun an eine Batterie angeschlossen (denn wir wollen ja den Wirkungsgrad bei Laden einer Batterie) angeschlossen und angetrieben so dass er Lädt. Dabei entsteht ein Drehmoemnt an der Welle welches sich nun auf den Ausleger und damit auf die Wage überträgt. Zu jeder Drehzahl werden nun...
1. Gewicht auf der Wage
2. Drehzahl
3. Spannung an der Batterie
4. Ladestrom zur Batterie

...gemessen.

Danach kann man eine Wirkungsgradkurve in Abhängigkeit von der Drehzahl oder dem Ladestrom am verwendeten Akku erstellen.
Die Grundgleichung für die Aufgenommene mechanische Leistung des Generators setzt sich zusammen aus dem Produkt von Drehmoment und Drehzahl.
Die Drehzahl hat man nun gemessen, das Drehmoment errechnet sich aus Hebelarm * Kraft.
Diese Gewichtskraft wiederum entsteht durch Muliplikation von Gewicht und Fallbeschleunigung (9,8 m/s´zum Quadrat)
Man erhält einen Wert in der Einheit N.

Der hebelarm ist die Strecke von der Generatorachse bis zum Auflagepunkt auf der Wage (m).
Multipliziert man diesen mit der Gewichtskraft, so ergibt sich ein Drehmoment in Nm.

Die Leistung errechnet sich nun aus Drehmoment mal Drehzahl. Dabei ist zu beachten, dass für die Drehzahl nicht die übliche technische Grösse n [U/min] sondern die Grösse Ω [rad/s] benutzt wird. Für die Umrechnung gilt: 1 rad/s = 60 s/min / 2π rad/U = 9,55 U/min.
Nun erhalten wir die Aufgenommenen Leistung in Watt.

Die abgegebene elektrische Leistung wird aus P= U*I errechnet, also aus dem Produkt von Spannung und Strom an den Messgeräten der Batterie.

Um nun den Wirkungsgrad in % zu erhalten rechnet man:

Abgabeleistung*100/Aufnahmeleistung

Wenn man all diese Rechnungen für verscheidene Drehzahlen durchführt, kann man daraus eine Wirkungsgradkurve zeichnen die man gegen den Strom, die Leistung oder die Drehzahl aufträgt. Somit kann dann auch ermittelt werden bei welcher Drehzal oder Abgabeleistung der Wirkungsgrad optimal ist.

Ich hoffe das ist für alle verständlich.

Gruß
Max

[jb79]

Sehr schöne Beschreibung, mir ist dabei auch gleich aufgefallen daß ich die Umrechung des Waagenwertes in N vergessen habe, peinlich das sollte eigentlich nicht passieren. Somit müßte eigentlich eh die Waage mit 50-500g ganz gut zu einem 1m Hebel passen.