Erfahrungen
..........Planung / Entwicklung / Selbstbau
Nun ja, wie schon gesagt:
... nach der Lektüre von
"Windkraft ganz einfach",
folgten dann noch andere Windkraftbücher-
ob
"für Haus und Hof" oder
"Windwerker" ...
bis hin zum Klassiker A.Betz aus 1926.
Erste Versuche
Da es in unserem Garten immer etwas windig war habe ich dann die ersten Bastelwerke in Angriff
genommen. Die Masten waren zunächst 2-3 und später 4-5 m hoch. Der Erfolg war alles andere als ergiebig.
Die Anlagen bewegten sich im Wesentlichen nur bei Sturm, sonst eher weniger.
Die Erfahrung ist die, daß Wind nicht nur: nicht immer verfügbar ist, sondern daß die Qualität des Windes,
besonders in bebauten Gebieten, oft ebenso bescheiden ist - ein Problem dem wohl viele andere Windwerker
ebenso (machtlos) gegenüber standen und stehen.
Verbesserungen
Aufgeben kam für mich nicht in Betracht. Es gab ja noch jede Menge Verbesserungspotential !
Zum Beispiel:
* Aerodynamische Anlaufhilfen, um meine oft etwas schwer
anlaufenden "Generatoren" - umgewickelte Gleichstrommotoren mit
Schleifkohlen bzw. Lichtmaschinen aller Art - trotz dem drehen zu lassen.
* Ein Versuch mit einer Pitch-Regelung an einem 2-Blatt-Rotor hat zwar
funktioniert, aber die Konstruktion war mir auf Dauer etwas zu "windig".
* Ein größerer Rotor - 2,7m 2-Blatt aus Holz gehobelt - mit
Schellaufzahl = 9, hat dann mit einer kleinen Kettenübersetzung(1:3) eine
Drehstrom-Lichtmaschine angetrieben und schon richtig Strom produziert.
Leider war der Rotor, gerade bei mittlerem Wind, so laut, daß ich
dieses Zischen, es war ziehmlich weit zu hören, weder mir noch meinen
Nachbarn länger zumuten wollte. Wieder eine Erfahrung!
Der erste gekaufte Generator
Als nächtes habe ich dann einen getriebelosen Drehstromgenerator mit
Permanentmagneten (Akkulader), mit einem 1,6m Rotor, an einem etwas
günstigerem Standort testen können. Und siehe da, der Generator lief gut
an und konnte den Akku für die Stallbeleuchtung und das Weidezaungerät
immer geladen halten.
Ein erster Erfolg!
Eine größere Anlage
Von dem Erfolg ermutigt, habe ich mich an eine Anlage mit 3,6 m Rotor und
einem 1 KW Getriebemotor gewagt.
Der 3-Phasen Asynchronmotor erforderte eine Beschaltung mit Kondensatoren,
die den erforderlichen Blindstrom zu liefern hatten. Aus der Literatur war
zu entnehmen, daß ein Motor
mit dieser Beschaltung, ab etwa 1/3 seiner Nenndrehzahl , beginnt Strom
zu produzieren. Da er selbiges bei einem Versuch in der Werkstatt auch
tat, wurde das Ganze auf einen 4,5 m hohen Mast gesetzt und auf Wind
gewartet.
Als dieser dann kam, sprang der Generator an und ging in Produktion.
Genau einmal ! ... Was war geschehen ?
Jetzt kam: Elektrik für Windwerker
Also, Alles wieder abgebaut und in der Werkstatt getestet:
Kein Strom ! - Wicklung defekt ?
Nachgemessen: In Ordnung! Alle Anschlüsse waren ok.
Versuchsweise an das Stromnetz angeschlossen: Motor läuft !
Kondensatoren wieder angeschlossen, getestet: Produziert wieder Strom !?
Meßgeräte angeschlossen und den Generator mit einer regelbaren Bohrmaschine
langsam, windähnlich drehen lassen. Spannung seigt schon bei wenig Drehzahl
auf ca. 5 - 7 V~ (Phase gegen Null) um dann bei Erhöhung der Drehzahl
hochzuschnellen. So war es gedacht.
Verbleibt man aber bei der kleinen Drehzahl, bricht die sofort auftretende
Spannung von ca. 5 V~ nach kurzer Zeit zusammen und der Generator kann erst
wieder "anspringen" nachdem er einmal von außen Strom bekommen hat.
Eine Erklärung dafür fand ich im Internet in einer Arbeit der TU-Wien aus den
80er Jahren:
"Besonderheiten bei der Selbsterregung von Asynchrongeneratoren im Inselbetrieb"
(A.Binder[Autor],Prof. E.Rummich)
Die Erklärung in aller Kürze:
Ein Anspringen des Generators ist auf Grund des im Eisenkern vorhandenen
Restmagnetismusses möglich. Der Generator arbeitet bei der kleinen Drehzahl
zunächst wie ein Synchrongenerator (wie ein Permanentmagnetgenerator) und
erzeugt einen kleinen Strom, der in dem "Schwingkreis" aus Wicklung und den
Kondensatoren fließen kann. Bei Drehzahlerhöhung findet dann ein Übergang zum
"Asynchronen Betrieb" statt und der Generator produziert Strom.
Soweit die Theorie. Dauert nun das Durchfahren des Übergangsbereiches zu lange,
entmagnetisiert sich das Eisen im Generator und ein Anspringen ist nicht mehr
möglich.
Das passte genau zu meinen Erfahrungen. Als Abhilfe gegen dieses Verhalten
wurden "geschlitzte Rotornuten" beschrieben, was für mich aber nicht machbar
war.
Eine elektrische Lösung
(wenn ein Stromanschluss vorhanden ist)
Da mir in der Nähe des Generatorstandortes ein 1-Phasen Wechselstromnetz zur
Verfügung stand, konnte ich folgende Lösung für mich realisieren:
Mit dem Signal eines Windmessers wurde, ab einer einstellbaren Windstärke eine
Elektronik angesteuert, die über eine Serien- und Anlauf- Kondensator-Kombination
den Generator (Motor) mittels Netzstrom anlaufen ließ. So war immer gesichert,
daß beim Anfahren Strom bzw. Magnetismus vorhanden war und der Generator
ansprang. Im Moment des Anspringens wurde dann elektronisch auf Generatorbetrieb
umgeschaltet.
Diese Lösung hat gut gearbeitet und stellt eine Alternative dar.
Rechts eine schematische Darstellung der Regel-Elektronik:
Apropos Windmesser
Einen Windmesser zu kaufen ist eine Sache, ihn selber zu bauen eine wesentlich
kostengünstigere (unter 10 Eur). Und wenn man ihn geeicht hat, auch keine schlechtere.
Die Bauteile für das Schalenkreuz-Anemometer:
* Ein kleiner Gleichstrommotor (mit Magneten darin),
* Eine Nabe, ich wage es gar nicht auszusprechen : aus einem alten
..Radiodrehknopf,
* Ein Schraubdeckel,
* Und drei Halbschalen aus Kunststoff von Überraschungseiern oder
..von Deo-Flaschenkappen.
Also: Der Radiodrehknopf passte wunderbar auf die Welle des Motors und der
Schraubdeckel über den Drehknopf und überdeckte auch noch den Motor, so daß
dieser ziehmlich gut gegen Regen geschützt war. Die ganze Sache lässt sich
leicht abgleichen und liefert eine lineare Anzeige. Jetzt nur noch ein
Operationsverstärker(LM741 o.ä.) und die Steuerelektronik konnte damit
angesteuert werden.
Bild kommt noch
Die Leistungsregelung
Um die Stromabnahme an den Wind anzupassen wurden 2 Regelkreise installiert.
Der erste hatte die Aufgabe mehrere Kondensator-Pakete an- bzw. ab- zuschalten.
Damit wurde ein Überschreiten der zul. Spannung verhindert.
Diese Schaltung war mit Relais bestückt, was aber bei größerer Schalthäufigkeit
zu Problemen mit den Kontakten führt. Hier würde ich zukünftig eher auf
eine Lösung mit Halbleitern setzen.
Der zweite, eine Triac-Schaltung, regelte die Stromabnahme über mehrere
Lastwiederstände.
Der nächste Generator (0,8KW Gleichstrom)
Streng nach dem Motto:"Stillstand ist Rückschritt" ging es auf die nächste
Anlage zu. Der Rotor wurde etwas kleiner : 2,7m Lambda=5.Bei dem Generator war
von 12-24V/40A bis 48V/15-17A alles drin.
Das allerdings bei sehr unterschiedichen Wirkungsgraden.
Die Variante mit 48V und Strömen bis zu 17A beginnt bei wenig Wind mit weit
über 90% und arbeitet bei Vollast mit immerhin noch ca. 85% Wirkungsgrad.
Dadurch war es möglich den Rotor relativ klein zu halten. Die Nennleistung von
ca. 0,8KW wird bei einer Windstärke von 9-10m/sec erreicht.
Hierbei muß durch die Lastregelung eine dem Wind angepasste Leistungsabnahme
eingestellt werden. Die Regelung ist mit Power-MOS-FET's aufgebaut und gibt die
Leistung über bis zu 5 Kanäle frei.
Der Permanentmagnet-Motor ist mit einem Getriebe 1:18 ausgestattet und bringt
ca. 11V pro Umdrehung in der Sekunde, sodaß bei einer Rotordrehzahl von 4-5
pro sec. Vollast erreicht wird.
Bedingt durch die große Übersetzung ist der Einsatz einer elektrischen Anlauf-
hilfe sinnvoll und bei einem Gleichstrommotor, auch relativ einfach realisierbar.
Andererseits ist es möglich, den Rotor mittels Kurzschluss des Generators
festzusetzen, so daß er auch bei Sturm (??) nicht mehr hochläuft.
Seit 2004 ist dieser Generator an einem guten Standort plaziert,
an dem schon bei 7,5m Höhe ausreichend Wind vorhanden ist.
Hier mußte ich jetzt verstärkt auf eine schnelle Regelung
hinarbeiten, weil sonst desöfteren ein neuer Satz MOS-FET's
erforderlich wird. Da die Seitenfahnenregelung nicht immer schell genug
arbeitet, habe ich die Lastabnahme stark überdimensioniert und kann
damit die Leistung aufnehmen und den Rotor bis zum Strömungsabriss
abbremsen (Stall-Regelung).
Nach einer Betriebszeit von ca. 2 Jahren machte der Lamellenkollektor des
Motors "schlapp"; Sind wohl mal zu heiß geworden und haben sich teilweise
aus dem Kunststoffbett gelöst. Wartet darauf, daß ihn jemand mitnimmt und repariert.
Der nächste Generator (1,5KW Drehstrom)
Diesen Generator habe ich mit dem selben Rotor wie bei dem 1 KW-Gen.
betrieben. Anders als bei dem 1-KW-Gen. ist der 1,5-KW-Gen immer
selbständig "angesprungen", sodaß die Regelung etwas einfacher ausfiel.
Der nächste Generator (2,0 KW Drehstrom)
Der nächste war eine gekaufte Anlage (China !) mit 3,2m Rotor und einem
Permanentmagnet-Generator.
Vorteil dabei: man kann ihn mittels Kurzschuß anhalten !!
Die Strom-Ausbeute war anders als erhofft nicht wesentlich höher als bei meinen Selbstbauten.
Die Angaben von Windgeschwindigkeit und Stromausbeute passen dabei zu meinen gemessenen Werten.
Der Rotor läuft gut rund und leise und beginnt schon bei ca.2,5 m/sec zu drehen.
Ab 3 m/sec beginnt die Einspeisung zu arbeiten.
Nach sehr starkem oder langem Regen kommt es bei Drehzahlen von 1 - 2 pro sek.
zu leichtem Pendeln des Turms.
Diesen Drehzahl-Bereich habe ich darum so gut wie möglich mittels meiner Steuerung:
(Mikrokontroller -> Pulsweitenmodulation -> Power-Halbleiter -> Last) ausgeblendet.
Seit ca. 2 Jahren läuft nun diese vergleichbar preisgünstige Anlage und
produziert Strom.
Werde demnächst noch etwas mehr über die Mikrokontroller-Steuerung schreiben. Ist bestimmt für
andere Anlagen auch interessant.
... Soweit zum Stand der Dinge (Okt. 2010).
3 Jahre später Dez. 2013,
Eine kleine Bewertung:
Der Stromertrag liegt in "windigen" Jahren bei 500 KWh/Jahr,
bei weniger windigen Jahren bei 250 KWh/Jahr.
Das ist sehr viel weniger als ich erwartet habe.
Warum ist das so ?
Es liegt nicht an den Windgeneratoren. Denn die haben bei günstiger Windrichtung
etwa die theoretische Leistung erzeugt. Es war wohl so, dass ich die am Standort
vorhandenen Hindernisse (Bäme und Häuser) aus Richtung Süd bis
Ost nicht ausreichend berücksichtigt habe. Und selbst bei Westwind, der frei
anströmen kann, ist die Leistung stark vermindert. Hierbei staut sich der Wind
vor der Scheune, weicht nach oben aus und stört die Strömung am Windrad.
Ergebnis:
Der Generator müsste hier mindestens 15 - 20 m hoch sein, was ich aber aus
unterschiedlichen Gründen nicht realisieren kann.
Ein weiterer Punkt ist, dass bei mittlerem bis starkem Wind, das Brummen des Generators über den Boden bis ins
Haus übertragen wird - nicht sehr stark, aber vernehmbar.
Also für meinen Standort gilt: Ein sehr interessantes und sehr vielseitiges Hobby,
aber um nenneswerte Mengen Strom zu erzeugen hier nicht geeignet.
Gruß peter hof.