Ein Eigenbau Windrad zur Stromerzeugung

Beschreibung des Baus eines kleinen Windrades, das auch zur Stromerzeugung eingesetzt werden kann.

Ein Windrad – diesmal aber richtig

Einleitung:

Nachdem wir nun zwei “Alibi”-Windräder gebaut hatten wurde es Zeit, endlich auch einmal etwas direkt für den Umweltschutz und den Ausstieg aus der Atomenergie zu tun. So fingen wir mit dem Bau dieses Windrades an.

Ziel des Baus war es, endlich ein Windrad zu bauen, das Strom erzeugt. Um dabei aber nicht irrsinnig lange energetische Amortiationszeiten zu bekommen oder gar mehr Strom/Energie bei der Herstellung zu verbraten als die fertige Anlage jemals erzeugen wird, habe wir versucht, möglichst viele Dinge aus Schrott und per Hand herzustellen. Letztlich soll das Windrad in der Nähe von Bad Doberan in eienr Wagensiedlung eine Halogenbeleuchtung (12V) und eventuell noch andere 12V-geräte versorgen.

Als Anleitung diente uns dafür das Heft *Einfälle statt Abfälle: Windkraft – nein danke*. Überhaupt sind die Hefte der “Einfälle statt Abfälle”-Reihe für Bastler und Tüftler absolut empfehlenswert, da sie für wenig Geld gute und vor allem nicht theoretische Anleitungen für den Bau der verschiedensten Dinge liefern.

Uebersicht

Da in diesem Heft der komplette Bau sehr gut erklärt ist – viel besser als ich es jemals könnte – werde ich hier nur zu den wichtigsten Arbeitschritten oder zu von uns modifizierten Bauteilen was schreiben.

Der Repeller:

Sinn und Zweck des Repellers (sieht fast aus wie der Propeller beim Flugzeug, wird nur anders bezeichnet, ist es, die Energie des Windes in eine Drehbewqegung und diese dann per Generator wieder in elektrische Energie umzuwandeln. Dabei ist die erzeugte Spannung bei Asyncron-Generatoren, zu denen auch viele Lichtmaschinen gehören, um so höher, je höher die Drehzahl ist. Bei der von uns verwendeten Autolichtmaschine brauchten wir auch nach dem Umbau (s.u) eine verhältnismäßig hohe Drehzahl bereits bei wenig Wind, um eine für die Halogenbeleuchung ausreichende Spannung nicht nur bei Sturm zu erreichen. Allerdings ist die maximal mögliche Drehzahl wiederum durch die Stabilität der Flügel vorgegeben. Daher kam nur ein schnellaufender 2-flügeliger Repeller in Frage. Dies hat auch den Vorteil, daß man den ganzen Repeller aus einem geraden Brett herstellen kann. Soviel zur Theorie.

Im Bastlschuppen wurde dann schnell ein passendes Brett gefunden und dieses dann nach üer 25 Jahren wieder aus dem Fußboden gerissen. Zuerst wurde dann an mehreren Stellen erst die grobe Profilform mit Hilfe von Schablonen herausgearbeitet, wobei uns doch ziemlich Angst und Bang wurde, so zerbrechlich dünn erschienen uns diese gefeilten Profile.

Bau des Repellers

Danach wurde mit einem Zugmesser der ganze Flügel strakend in Form gebracht (mit dem in der Anleitung empfohlenen Hobel kamen wir aus welchen Gründen auch immer nicht klar, während sich mit dem Zugmesser auf +- 1 mm genau sehr schnell arbeiten ließ). Dieses Rohmodell wurde dann mit Schleifpapier ziemlich lange geglättet und in Form gebracht. Anschließend noch ein Überzug mit Leinölfirnis und später mit wasserfesten Bootslack – nach zwei Tagen Arbeit war dies soweit fertig. Allerdings sollte man die ganze Zeit über darauf achten, dass der Repeller ausgewogen ist, da die sonst herrschende Unwucht alles bei Sturm auseinanderrüttelt.

Herausarbeiten des Profils

Die Lichtmaschine:

…. oder wie bringe ich mich am besten zur Verzweiflung :-}

Zuerst mal wieder etwas Theorie. Die herkömmlichen Lichtmaschinen sind in erster Linie darauf getrimmt, spottbillig herzustellen – ohne Rücksicht auf den Wirkungsgrad. Außerdem ist für unseren Fall die notwendige Antriebsleistung viel zu hoch, ebenso wie die Ladebeginndrehzahl (jedenfalls ohne Getriebe). Wie man sieht also eine Menge Dinge, die wir ändern mußten.

Die wichtigste Veränderung war die Erhöhung der Windungszahl des Stators. Da die erzeugte Spannung sich – jedenfalls im idealen Fall – nach U=cPhin berechnet gibt es zwei Möglichkeiten, diese bei verringerter Drehzahl wieder auf den alten Wert zu bringen (12V). Zum einen kann man versuchen, den magnetischen Fluss zu vergrößern, was aber wegen Sättigungserscheinungen im Eisen nicht sinnvoll ist. Zum anderen könnte man die Drehzahl erhöhen, was aber ebenfalls auf Grund von Getriebeverlusten nicht praktikabel ist. Eine weitere Möglichkeit ist, die Windungszahl zu erhöhen. Dadurch erreicht man das gleiche wie bei einer Erhöhung der Drehzahl, da auch dadurch mehr Windungen pro Zeiteinheit die Magnetfeldlinien durchschneiden (einfach ausgedrückt – E-Techniker bitte jetzt nicht die Hände über dem Kopf zusammenschlagen :-}. Ein weiterer Vorteil einer Neuwicklung ist, daß man die vorhandenen Nuten im Stator, die bis jetzt nicht vollständig gefüllt sind, durch geschickte Wahl des Drahtdurchmessers der Wicklungen optimal ausnutzen kann, was wiederum zu einem besseren Wirkungsgrad führt.

Außerdem muss man im Gegensatz zu einer Autolichtmaschine den Laderegler deaktivieren. Dieser bewirkt im Auto, dass bei voller Batterie die LiMa quasi abgeschaltet wird. Da dadurch bei einem Windrad der Repeller aber in keiner Weise mehr gebremst werden würde, würde der Repeller sich im Nu immer schneller drehen und letztlich auseinanderfliegen.

Nach längerem Suchen hatten wir es tatsä¤chlich geschafft, eine LiMa geschenkt zu bekommen (auf dem Schrottplatz kostet so ein Ding manchmal fast 150.-). Das nun folgende Umwickeln sollte aber, ganz im Gegensatz zur Anleitung, zu einem langwierigen Unterfangen mit vielen Versuchen ausarten. Das Hauptproblem dabei war, dass es zum einen fast unmöglich ist, den neuen Kupferlackdraht zu montieren, ohne einen elektrischen Kontakt zwischen Wicklung und Stator zu produzieren. Dies führt unweigerlich zu einem inneren Kurzschluß des Generators und damit zur Funktionsunfähigkeit. Außerdem habe ich es nie geschafft, den in der Anleitung empfohlenen Drahtdurchmesser in den Stator einzubauen – der Platz reichte einfach nicht. Hier nun die 4. und erfolgreiche Variante:

Lichtmaschine

Die Nuten des Stators, die innen eigentlich nur durch einen kleinen Schlitz zugänglich sind wurden auf die ganze Breite aufgefeilt (ich weiss, dass dabei der Wirkungsgrad sinkt. Aber anders ging es nicht. Außerdem wurde statt eines 0.8er-Drahtes ein Kupferlackdraht mit 0.6mm Durchmesser verwendet. Anschließend wurde die Wicklung frei Hand passend in Form gebogen und die kritischen Stellen mit Isolierband geschützt. Erst dann war die Montage möglich. Nach einem letzten Check auf elektrische Kontakte bzw. Kurzschlüsse wurde das ganze dann mit Epoxidharz vergossen, um auch bei dauernden Vibrationen einen dauerhaften Betrieb sicherzustellen.

Wicklung

Nach längerem Suchen haben wir dann auch die wichtigen Elektronikkomponenten gefunden (teilweise “zur Tarnung” vergossen) und die nicht gerade einfache Schaltung verstanden, so dass wir uns an die modifizierte Schaltung zur Erregung des Stators machen konnten.

Kupplung zwischen LiMa und Repeller

Was sich so einfach anhört, ist dann in der praktischen Umsetzung natürlich wieder etwas schwieriger, da diese Kupplung noch einige andere Aufgaben übernehmen sollte.

Zum einen mußten wir noch einen kleinen Blechpropeller anbringen. Dadurch soll zum einen ein halbwegs rotationssymertisches Massenträgheitsmoment erreicht werden, zum anderen dient dieses Blechstück als Anlaufhilfe, da der Repeller wegen seiner geringen Steigung dies nicht von selbst tun würde. Außerdem fand auch noch die Bremsscheibe dort ihren Platz. Diese – ebenfalls aus Blech gefertigt – wird entweder von Hand oder bei zu starkem Wind durch die Sturmsicherung betätigt, so dߟ dadurch das Windrad stillgelegt werden kann.

Halterung + Windfahne

Hier haben wir mal wieder versucht, fast ausschließlich Schrott zu verwenden. So stammen die Holzbalken aus einem alten Bett bzw. vom Sperrmüll, die Windfahne war früher mal die Rückwand eines alten Schrankes. Als Scharnier für die Befestigung der Windfahne kamen dann zwei Stücke eines alten Fahrradmantels zum Einsatz.

Prinzip Sturmsicherung

Eine primitive, aber erstaunlich wirkungsvolle Methode…

Da Windfahne und LiMa-Achse nicht genau fluchten versucht der Wind, das Windrad um die eigene Achse zu drehen. Dies wird aber bei wenig Wind durch die Windfahne weitestgehend vermieden. Frischt der Wind nun auf, so erhöht sich auch der Druck auf die Fahne, diese klappt etwas weiter nach oben und dadurch kann sich der Repeller etwas weiter aus dem Wind drehen.

Prinzip der Sturmsicherung

Das besondere an dieser Methode ist, daß dadurch der sich drehende Repeller niemals ruckartig herumgerissen, sondern immer sanft geschwenkt wird. Im Sturm (=hohe Drehzahl) würde jede ruckartige Bewegung zu hohen Belastungen und eventuellen Schüden führen.