Projekt Windrad
Aktuelles
Nachfolgend beschreibe ich den Verlauf unseres Projektes. Interessierte können jederzeit live unsere Messwerte beobachten:
» Übersicht über Leistung, Spannungen, Ströme, etc...
» Windgeschwindigkeits-Auswertungen an unserem Standort
» Tool zur Visualisierung der Effizienz
» einige Fotos unserer Anlage gibts hier
» Fotos vom Windrad mit Holzflügel gibts hier
» Energietagebuch
Historie
Aktueller Projektstatus
Derzeitiger Rotordurchmesser: 320cm; Maximalleistung bisher 814 Watt bei 10m/sek Wind.
Die Idee
Im letzten Jahr machte ich mir immer mehr darüber Gedanken wie man selbst in kleinem Rahmen Energie (am besten elektrisch) erzeugen könnte. Photovoltaik ist schön, allerdings kann man die Elemente nur kaufen (nicht billig). Irgendwann ging mir die Idee nichtmehr aus dem Kopf es mit Windkraft zu versuchen. Die Idee ist natürlich nicht neu, immerhin werden immer mehr Windkraftwerke in der Nähe aufgebaut.
Der Beginn
Im Oktober 2009 ersteigerte ich kurzerhand bei Ebay einen Repeller für eine kleine Versuchsanlage. Der Durchmesser beträgt ca. ein Meter. Damit sollten sich laut meine bisherigen Erkenntnissen bei genügend Wind (vermutlich schon Sturm :-) bis zu 300 Watt Leistung erzeugen lassen.
Die Anfänge
Als nächstes begeisterte ich meinen Vater für die Idee. Ich brauchte ihn auch unbedingt für die Umsetzung weil ich für die mechanischen Arbeiten einfach zu wenig talentiert bin. Er ist ein Meister seines Faches, das kann man auf seiner Homepage beobachten. Ihn zu überzeugen war nicht schwer, als Technik-Interessierter fing sein Herz auch schnell für unser Vorhaben zu schlagen.
Als erstes versuchten wir einen passenden Generator zu finden. Erste Gehversuche mit Auto-Lichtmaschine und ähnlichen Generatoren/Motoren gingen wie üblich schief. Über mehrere Wochen setzte ich mich zum Rechner und suchte nach geeigneten Generatoren. Schliesslich erwarb ich einen Drehstrom-Generator mit Permanentmagneten welcher bei 3000 Umdrehungen pro Minute 240 Volt bei 2000 Watt Leistung erzeugen sollte. Zudem sollte er auch bei niedrigeren Drehzahlen auch schon nennenswerte Spannungen erzeugen (das ist bei vielen günstigen Generatoren eben nicht der Fall). Danach gings zu Flo's Drehbank. Er hat einen Frequenzumrichter mit Drehzahlanzeige. Ich wollte die angegebenen Leistungsparameter selbst überprüfen und versuchte bei verschiedenen Drehzahlen den Generator mit verschiedenen Lasten zu betreiben. Hier die Ergebnisse:
Damit war ich sehr zufrieden. Für meine Zwecke sollte das reichen. 300 Watt bei 700 Umdrehungen pro Minute könnten möglich sein (falls der Repeller 700 Umdrehungen pro Minute schafft).
Hier ein Foto vom Generator an der Drechselbank:
Die Mechanik
Alle mechanischen Arbeiten wurden von meinem Vater durchgeführt. Er fertigte alle nötigen Teile in Handarbeit an. Die Anlage ist ungefähr so aufgebaut:
- der Repeller ist direkt an der Generatorwelle montiert
- der Generator ist drehbar am Mast (Metallrohr) montiert
- die Lagerung wurde aus Messingbüchsen gefertigt, ansonsten ist das Metallrohr in ein anderes gesteckt damit die Drehbewegung von der entstehenden Reibung etwas gedämpft wird
- die Windfahne wurde nach eigenem Ermessen aus Metall angefertigt und montiert
- der Mast besteht lediglich aus einem Holzbalken der zufällig vorhanden war
- der Mast selbst wurde einfach mit Gewindestangen an unsere Scheune montiert
Ich finde mein Vater hat eine einmalige Arbeit geleistet. Ausserdem war er früher als ich mit meiner Elektrik fertig! Hier ein Bild der Konstruktion:
Die Elektrik
Jetzt erst komme ich ins Spiel. Ich wollte folgendes erreichen:
- Ich will alle elektrischen Parameter messen und aufzeichnen. Im Internet soll man jederzeit diese Werte beobachten können.
- Die Anlage muss sich selbst möglichst effizient regeln.
- Um das Windradverhalten erforschen zu können wollte ich jederzeit eine definierte elektrische Last (Leistungsentnahme) simulieren können.
- Es soll ein kleiner Akku geladen werden welcher auch die Energie für den Eigenverbrauch der Steuerung bereitstellt.
- Die Anlage soll völlig ohne externe Stromversorgung funktionieren damit man nicht am Ende mehr Energie reinpumpt als man gewinnt.
- Die Regelung muss vor allem bei hohen Windgeschwindigkeiten die Anlage schützen.
Um diese Anforderungen erfüllen zu können kaufte ich auf anraten eines Studienkollegen einen Mikrokontroller der Marke Rabbit. Mit diesem Controller habe ich 8 analoge Messeingänge, 2 analoge Spannungsausgänge und einige sonstige digitale Ein- und Ausgänge zur Verfügung. Das wichtigeste für mich war aber dass der Controller über eine Ethernet Schnittstelle und TCP/IP Bibliotheken für die Internetverbindung verfügte.
Um den Akku zu laden überlegte ich mir eine einfache Akku-Ladeschaltung. Ich baute eine ganz einfache Ladeschaltung welche meinen 12V Akku ab einer Spannung von etwa 15-20V mit einer relativ konstanten Spannung von etwa 13-14V lädt. Leider schaffte ich es bisher noch nicht recht gut die Spannung auf eine exakte Ladespannung zu stabilisieren. Bei etwa 30V Eingangsspannung erreicht die Akku-Ladespannung ca. 14,5V. Ich denke aber das sollte derzeit egal sein, so hohe Spannungen sind nicht oft zu erwarten. Ausserdem will ich bei soviel vorhandener Windenergie den Akku schnell laden (man hat ja leider nur selten soviel Wind). Hier besteht aber auf jeden Fall Verbesserungsbedarf. Als nächsten will ich eine Ladeschaltung mit PWM-Regelung bauen die vielleicht schon ab 6V Eingangsspannung beginnt zu arbeiten.
Damit ich mehr über die vorhandene Energie bei den verschiedenen Drehzahlen und Spannungen erfahren kann überlegte ich mir eine variable Lastschaltung zu bauen. Diese sollte folgendes erledigen: Der µController gibt eine Spannung von 0-4V aus. Abhängig von dieser Spannung soll eine Leistungselektronik 0-300 Watt vernichten, also in Wärme umsetzen. Diese Leistungsvernichtung brauche ich um das Windradverhalten bei verschiedenen Leistungsabnahmen zu erforschen und vor Überdrehzahl zu schützen. Ich schaffte es schliesslich so eine Schaltung aufzubauen welche mit 300 Watt Dauerleistung umgehen kann. Das war allerdings nicht ganz einfach und kostete dem einen und anderen Leistungstransistor/Mosfet das Leben :-)
Hier sieht man meine Elektronik aufgebaut in einem Schaltschrank. Das ganze ist nicht unbedingt sauber verdrahtet weil ja noch ständig daran gearbeitetet wird...
Die Auswertung
Mein µController misst wie gesagt ständig alle wichtigen Parameter. Jede Minute überträgt er die Messwerte an einen Webserver der sie aufzeichnet und zusätzlich auch schöne Grafiken anfertigt. Die Grafiken wurden mit dem bekannten RRD-Tool angefertigt:
In der linken Grafik sind die elektrischen Parameter zu sehen. Dunkelblau ist die Eingangsspannung in Volt eingezeichnet. Diese springt natürlich stark je nach Drehzahl. Der Strom in Ampere ist in rot eingezeichnet. In Hellblau wird die Akku-Spannung angezeigt. Rechts wird in braun die entnommene Generatorleistung dargestellt, in grün die Windgeschwindigkeit (siehe Statistik) und in Schwarz die Generatordrehzahl (siehe Statistik). Wie gesagt gibts bei der Drehzahlmessung derzeit noch Probleme.
Die Regelung
Ich habe noch keine Erfahrungen mit Windkraft. Keine Ahnung ob meine Überlegungen überhaupt richtig und sinnvoll sind. Falls nicht bitte ich das zu entschuldigen und würde mich über Verbesserungsvorschläge sehr freuen. Grundsätzlich gehe ich davon aus dass unter einer Mindestdrehzahl vermutlich keine Leistung entnommen werden sollte damit der Repeller überhaupt Gelegenheit hat in Schwung zu kommen. Darüber steigt die vorhandene mechanische Energie mit dem Quadrat der Drehzahl an (E = 1/2 * I * w^2 laut Theorie). Ich kenne das Trägheitsmoment des Generators und Repellers nicht, deswegen mache ich ja auch diese Versuche.
Der erste Regelungsansatz sieht so aus:
if (rpm > RPMMIN) {
powerwanted = const_x * rpm^2;
} else {
powerwanted = 0;
}
Die Konstante const_x berechne ich aus folgenden Annahmen: ich nehme an dass ich RPMMAX Umdrehungen pro Minute erlauben sollte. Darüber wirds gefährlich. Bei dieser Drehzahl nehme ich meine Maximalleistung von MAXPOWER Watt an. Also berechne ich meine Konstante folgendermassen: const_x = MAXPOWER / RPMMAX^2 .
Damit ich selbst in den Regelungsprozess eingreifen kann und die Steilheit dieser Kurve verändern kann mache ich die Konstante MAXPOWER zu einer Variablen per Web-Interface veränderbar. Soweit der aktuelle Status und meine Überlegungen. Bei mehr Wind kann ich mehr darüber berichten.
Die Inbetriebnahme
Endlich war es soweit. Am Samstag den 9. Jänner 2010 stellten wir schliesslich die Anlage nach ein paar kleinen Versuchen im Garten fix auf. Das Windrad ist in ca. 7m Höhe montiert und wird somit möglichst gut vom Wind durchströmt. Ab jetzt ist der Wind an der Reihe. Leider weht momentan kaum Wind. Die Spannung am Generator erreicht nichtmal 10 Volt. Ausserdem funktioniert meine Drehzahlanzeige bei diesen langsamen Drehzahlen noch nicht. Jedenfalls kann jeder hier meine gemessenen Werte beobachten.
Hier ein Foto der fertigen ersten Version von der Anlage:
Der Standort
Größere Kartenansicht
Jeder ist gefragt...
Ich bin jederzeit für Verbesserungsvorschläge und Meinungsaustausch offen. In den nächsten Wochen und Monaten möchte ich mit dem Beobachten der Anlage und kleinen Verbesserungen beschäftigen. Vor allem will ich die Regelung perfektionieren. Falls sich jemand über das Thema unterhalten möchte, dann bitte einfach bei mir melden: bernhard8@gmail.com.