Neuer Flügel aus Vollholz

dDa mein Vater ja ein Meister in der Holzbearbeitung ist (siehe www.holzhut.at) hat er sich entschlossen nun die ideale, verwundene Flügelform selbst aus Vollholz herauszuarbeiten. Diese Arbeit ist natürlich irrsinnig aufwendig. Als erstes baute er eine Lehre um die Arbeiten jederzeit kontrollieren zu können:

Danach arbeitete er Schritt für Schritt die Konturen mit Säge, Hobel und Schleifmaschine heraus. Hier das fertige Ergebnis:

Zum Probieren schnallte er den Flügel in Form eines Einflüglers auf einen Generator. Befestigt wurde das ganze am Frontlader vom Traktor. Ein Gegengewicht sorgt für eine passende Auswuchtung. Der Flügel läuft eigentlich erstaunlich ruhig:

Effizienzüberlegungen

Um beurteilen zu können wie gut bzw. effizient unsere Anlage überhaupt die Windenergie in elektrische Energie umwandelt habe ich nun eine weitere Statistik erstellt.

Hier eine Beispielgrafik vom heutigen Tag:

In der Grafik sieht man die Windgeschwindigkeit auf der X-Achse und die Leistung auf der Y-Achse. In Wchwarz wird die theoretisch mögliche Leistung dargestellt (kinetische Energie der bewegten Luft: P(v_wind) = 1/2 * rho_luft* r² * π * v_wind³). In Blau wird ein Drittel dieser maximal möglichen Leistung dargestellt (das ist ein üblicher Wert der von Windkraftanlagen erzielt wird). In rot ist unsere erzielte Leistung dargestellt.

Es ist schön zu erkennen dass wir noch ein Stückchen von der blauen Linie entfernt sind. Es gibt also noch Raum um Verbesserungen zu erreichen. (na gottseidank, sonst wären wir ja nun fertig :-)

Mehr Statistiken zur Windgeschwindigkeit

Der Vollständigkeit halber habe ich nun die Statistiken noch erweitert. Meist wird von Standorten zur Windkraftnutzung die durchschnittliche Windgeschwindigkeit und die Verteilung der Windgeschwindigkeiten nach Häufigkeit angegeben.

Die Werte an unserem Standort sind verglichen mit anderen ziemlich schlecht. Ich habe oft gelesen dass eine Windkraftnutzung nur rentabel realisierbar ist ab einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 4m/sek. Wir konnten bisher nur 1.5 m/sek bei uns feststellen. Ebenso schlecht ist die Verteilung der Windgeschwindigkeiten:

Die vollständigen Windstatistiken sind jederzeit aktuell hier zu finden.

Obwohl diese Werte sehr schlecht sind ändert das nichts an unserem Vorhaben die Thematik genauer zu erforschen und eigene Erfahrungen zu sammeln. Vermutlich werden wir auch später daraus ableiten müssen dass eine wirtschaftliche Nutzung bei uns nicht möglich ist.

Stärkerer Generator, Rotordurchmesser 290cm

Endlich ist es soweit. Wir kommen unserem angepeilten Ziel von 3m Rotordurchmesser schon ziemlich nahe. Das wichtigste heute war mal den neuen Generator zu montieren:

Dieser Generator leistet bis zu 3500 Watt. Viel wichtiger ist aber dass er bei kleinen Drehzahlen schon gute Spannungen liefert (etwa 24 Volt gleichgerichtet bei 100 Umdrehungen/min). Dafür ist allerdings sehr viel Kupfer und Eisen nötig. Man merkts: der nackte Generator hat nun 19kg. Wir mussten darum auch den Masten verstärken.

Der neue Selbstbau-Rotor ist eine völlige Eigenkonstruktion: Ein 25cm Durchmesser Abflussrohr wurde nach eigenem Ermessen aufgeschnitten um 3 Flügel zu erhalten. Im Inneren wurde Holz so lange bearbeitet dass es gut eingebaut werden konnte. Ziel ist mehr Stabilität und eine bessere Aerodynamik (Flügelform für Auftriebsverhalten). Wir werden sehen ob die Flügelform gut läuft.

Das Anlaufverhalten sieht jedenfalls sehr gut aus. Der Rotor läuft bei ca. 1m/sek Wind an. Leistung kann nun schon bei etwa 30 Umdrehungen pro Minute (etwa 2m/sek Wind) entnommen werden.

Hier ein Foto der heute installierten Anlage:

Ausserdem wurde die Brems-Schaltung verstärkt damit sie mehr Strom vernichten kann. Langsam muss ich mit einer Spitzenleistung von 1kW rechnen und diese notfalls auch vernichten können. Zusätzlich habe ich ein Relais montiert das ich per µController ansteuern kann. Damit kann ich den Generator kurzschliessen (Not-Aus bzw. Stop-Schalter).

Grösser, höher, mehr Leistung...

Sobald man einmal vom Wind-Virus infiziert wurde will man immer mehr. Heute nahmen wir an unserem Windrad ein paar Verbesserungen vor. Der Holzmast wurde verstärkt, die Nabenhöhe um ca. 1,5m erhöht und der Rotordurchmesser von 180cm auf 230cm erhöht. Nun ist auch der Windmesser in einer vernünftigen Höhe montiert. Unser eigenes Haus ist nichtmehr so stark in der Windströmung.

Leider musste ich feststellen dass die Ladeschaltung mit Sepic Wandler nicht den gewünschten Erfolg brachte. Die Leistungsaufnahme liess sich zwar ganz gut per µController steuern, aber der Wirkungsgrad der Schaltung war zu schlecht, es gelangte kaum etwas von der aufgenommenen Energie in die Akkus. Den nächsten Versuch starte ich vermutlich mit einem Flyback Wandler. Der arbeitet mit einem kleinen Trafo, dadurch kann die Eingangsspannung kleiner und grösser als die gewünschte Ausgangsspannung sein. Ich muss zuerst nach einem passenden Trafo suchen....

Sehr erfreulich ist dass dieser neue Rotor offenbar schon bei ca. 1,5m/sek Windgeschwindigkeit läuft. Bei 2-3m/sek müsste man schon Leistung entnehmen können. Man wird in den nächsten Tagen mehr sehen...

Verbesserung der Datenaufzeichnung

Bisher funktionierte die Datenaufzeichnung mit dem µController ganz simpel: ich nahm jede Minute die aktuellen Messwerte auf und speicherte sie in der Datenbank. Natürlich ist das nicht ideal da es sich nur um Momentaufnahmen handelte. Werte verändern sich ja ziemlich flott sogar innerhalb einer Sekunde.

Jetzt mache ich folgendes: alle Werte werden laufend gemittelt indem ich den letzten Messwert zum aktuellen addiere und durch 2 dividiere. Dadurch ergibt sich eine simple Mittelung der Momentanwerte. Zusätzlich dazu speichere ich jede Sekunde diesen Momentanwert ab und bilde jeweils einen Mittelwert über das Aufzeichnungsintervall von 60 Sekunden.

Allerdings verliert man dadurch die Möglichkeit Spitzenwerte zu erkennen. Deshalb ermittle ich zusätzlich die Maximalwerte innerhalb einer Minute. Diese Maximalwerte sind nun auch in den Grafiken zu sehen, sie sind jeweils etwas heller eingezeichnet.

Als Beispiel sieht man hier das Leistungs-Diagramm von heute:

Die Leistung ist nun in braun eingezeichnet (volle Fläche). Die Windgeschwindigkeit sieht man an der dunkelgrünen Linie. Diese beiden Werte sind Mittelwerte über jeweils eine Minute. Die hellen Linien geben Auskunft über die aufgetrenen Maximalwerte innerhalb einer Minute.

Bei der Windgeschwindigkeit ist nicht viel Unterschied erkennbar da offenbar die Windgeschwindigkeit nicht so stark schwankt. Bei der Leistung gibt es ganz starke Unterschiede. Heute betrug die höchste Momentanleistung (gemittelt über eine Minute) etwa 5 Watt und die Spitzenleistung 22 Watt. Vermutlich ist die starke Schwankung auf meine noch etwas ruckelige Laderegelung zurückzuführen. Diese läuft leider sehr sprunghaft und intensiv an, dadurch werden ziemliche Leistungsspitzen schubweise aus dem Generator entnommen. Ausserdem hängt ja die Leistung von der Windgeschwindigkeit zur dritten Potenz ab. Dadurch wirken sich Schwankungen der Windgeschwindigkeit sehr stark in der Leistung aus.

Verbesserte Ladeschaltung am Windrad

Nachdem der Uni Stress vorbei ist baute ich endlich die neue Ladeschaltung auf. Basis ist ein Schaltregler (SEPIC-Wandler) mit PWM Ansteuerung. Bei Tests daheim kam ich bisher nur auf 70%  Wirkungsgrad, das ist aber allemal besser als der bisherige Linearregler. Das Teil sieht so aus:

Ausserdem habe ich nun 4 kräftige Bleigel Akkus angeschlossen (200Ah). Herzlichen Dank nochmal an Christian Mayrhofer für die Akkus!

 

Bei dieser Gelegenheit räumte ich im Schaltschrank noch etwas auf und baute noch ein energiesparendes LED-Licht mit 3 Watt zur Beleuchtung ein.

Zurück zur Problemstellung: mit dieser Ladeschaltung kann ich nun softwaremässig die Ladeintensität steuern. Ausserdem spielt es keine Rolle ob ich eine niedrigere oder höhere Eingangsspannung als die Batteriespannung zur Verfügung habe. Die ersten Werte sehen gut aus, ab ca. 6 Volt Eingangsspannung (das entspricht nur 60 Umdrehungen pro Minute) konnte ich schon etwas Windenergie in die Akkus pumpen:

 

Die dicke blaue Linie markiert 6Volt Eingangsspannung. Man sieht dass ab dieser Spannung schon Strom (rote Linie) fliesst. Wenn das alles so klappt wie es derzeit aussieht können wir nun schon ab ca. 2-3m/sek Windstärke kleine Energiemengen in unsere Akkus pumpen. Das bedeutet ein vielfaches der Ausbeute weil wir sehr selten starke Winde haben.

Meine Regelung (softwarebasiert) arbeitet nun nach folgender Leistungskurve:

Wobei die Maximalleistung als Parameter einstellbar ist und ich die passenden Werte experimentell herausfinden und konfigurieren möchte.