Schlagwort: Energie

Solarer Niedertemperatur-Stirling-Motor

Beitragsautor Von Henry Koch
Beitragsdatum 6. Februar 2015
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Ein sehr interessantes Projekt, in dem Schüler der Jahrgangsstufe 7/8 einen Stirlingmotor zur Bewässerung Ihres Schulgartens aufbauen.
Das alles wird unterstützt mit vielen Bildern, PDF Files incl. leicht verständlicher Theorie.

Ein ideales Projekt für weitere Schulgärten und eine schöne Ressource für die persönliche Wissenssammlung.

… 12 Schüler der Montessori-Oberschule haben sich etwas ganz besonderes vorgenommen. Sie wollen mit innovativer Technik ihren Schulgarten bewässern. In Kooperation mit dem Stirling Technologie Institut gemeinnützige GmbH aus Potsdam soll ein solarer Niedertemperatur-Stirling-Motor errichtet werden. Die Erfindung beruht auf dem Patent des Instituts mit der Nr. 100 16 707.

http://s-tip.org/html/for_mont.htm#studienarbeit

Schlagwörter Alternative Energie, Ausbildung, Basteln, Berechnung, Energie, Schmidt Theorie, Stirlingmotor, Unterricht

Eigenbau Wooden Generator 1 – Experiment 2 mit Gleichrichter

Wooden Generator 1 mit Gleichrichter

Aufbauend auf Wooden Generator Experiment 1 wurde die Schaltung jetzt um einen Brückengleichrichter erweitert.

Hierfür habe ich BAT48 Schottky Dioden verwendet, da diese nur 0,2 Volt verbrauchen.
Als stabilisierendes Element kommt ein 1000 μF Elektrolytkondensator dazu.
Der puffert das ganze ein wenig und die LED sollte etwas länger und stabiler leuchten.
Mit einer kleinen LED als Verbraucher erhalte ich bei schnellen Drehzahlen einen Strom von ca. 5 mA und eine Spannung von ca. 1,7 Volt.
Errechnet ergibt das eine stolze Leistung von 8,5 Milliwatt.
Es ist also noch reichlich Luft nach oben :-)

Das folgende Video gibt einen kurzen Eindruck von der doch recht dürftigen Ausbeute.

https://youtube.com/watch?v=SH9jxq0oGrw%26hl%3Den%26fs%3D1

Wooden Generator 1 – Experiment 1

Da nicht wie ursprünglich geplant nur eine positive Halbwelle erzeugt wird, sondern ein richtiger Wechselstrom wie unter Wooden Generator 1 bereits beschrieben, reagiere ich auf die für mich simpelste Weise darauf.
LED’s verbrauchen wenig Strom. Es kommt ja auch (noch) relativ wenig :-)
Also die positive Halbwelle bringt eine LED zum leuchten und die Negative eine entgegengesetzt Gepolte.

Das folgende Video gibt einen Eindruck wie lang und wie stark die LED’s leuchten.

Dimensionierung – Eigenbau VAWT

Ich wollte von Anfang an einen vertikal laufendes Windrad bauen, da es nicht nach dem Wind ausgerichtet werden muss, in der Regel problemlos bei geringen Windstärken anläuft und auch starken Wind stand hält.

Für vertikal laufende Turbinen gibt es mehrere populäre Ansätze, wie Darrieus-Rotor, Savonius-Rotor und diverse Abwandlungen.
Da ich von der Ausstattung her als Privatmensch nicht über Werkzeuge und Möglichkeiten eines Produktionsbetriebes verfüge, sollte der Rotor vom Aufbau her möglichst einfach sein, dass ich von zu Hause aus auch in der Lage bin, dies umzusetzen.

Nach viel Recherche im Netz, bin ich auch eine Excel Liste zur Dimensionierung eines Lenz2 Rotors gestoßen.
Laut Erfinder des Flügelprofils, hat dieser einen recht hohen Wirkungsgrad, bei überschaubarer Komplexität.

Jetzt wo geklärt war, welche Art Rotor es werden soll, mussten die Abmessungen festgelegt werden. Wie aus dieser Studie zu entnehmen ist, liegt die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in Sachsen in einer Höhe von 10 Meter über dem Erdboden bei ca. 5m/s. Mein Windrad ist in ca. 4 – 5 Metern Höhe über dem Erdboden angebracht und in einer Entfernung von ca. 10 Metern stehen ein paar Büsche, die das Windrad überragen.
Also sind die 5m/s mittlere Windgeschwindigkeit nicht zu erreichen. Ich bin mal von 3m/s ausgegangen, was als Standort für eine produktive Anlage sofort ausscheiden würde. Aber leider habe ich nun mal kein Strand – Grundstück mit 10 Meter hohem Mast zu Verfügung.

Das Windrad soll eine nennenswerte Leistung von mehr als 10 KW/h im Jahr in die Batterie einspeisen. Das ist wesentlich mehr, als ich in 2012 mit meinen kleinen Solarzellen einsammeln konnte.
Ich habe ein wenig mit der Excel Liste zur Dimensionierung von Lenz2 Rotoren herum gespielt und mich am Ende für 70cm Durchmesser und 70cm Höhe mit 3 Flügeln entschieden. Das entspricht fast einem halben Quadratmeter durchströmter Fläche.
Wenn ich die 2,65 Watt, die mit dem 70/70 Rotor bei 3m/s erzeugt werden können aufs Jahr hoch rechne, komme ich auf 23,2 KW/h. Das entspricht dem 3,5 fachen meiner Stromernte von 2012.

Errechnete Leistung (nach Lenz)
Wind Geschwindigkeit km/h	Wind Geschwindigkeit m/s	Drehzahl belastet U/min	Drehzahl leerlauf U/min	elektrische Leistung in W
4	1	22	44	0,10
7	2	44	87	0,79
11	3	65	131	2,65
14	4	87	175	6,29
18	5	109	218	12,28
22	6	131	262	21,22
25	7	153	306	33,70
29	8	175	349	50,30
32	9	196	393	71,62
36	10	218	437	98,25
40	11	240	480	130,77
43	12	262	524	169,78
47	13	284	567	215,86
50	14	306	611	269,60
54	15	327	655	331,59
58	16	349	698	402,43
61	17	371	742	482,70
65	18	393	786	573,00
68	19	415	829	673,90
72	20	437	873	786,00
76	21	458	917	909,90
79	22	480	960	1.046,17
83	23	502	1004	1.195,41
86	24	524	1048	1.358,21
90	25	546	1091	1.535,16
94	26	567	1135	1.726,85
97	27	589	1179	1.933,86
101	28	611	1222	2.156,79
104	29	633	1266	2.396,22
108	30	655	1310	2.652,76
112	31	677	1353	2.926,97
115	32	698	1397	3.219,46
119	33	720	1441	3.530,82
122	34	742	1484	3.861,63
126	35	764	1528	4.212,48
130	36	786	1572	4.583,96
133	37	808	1615	4.976,67
137	38	829	1659	5.391,19
140	39	851	1702	5.828,11
144	40	873	1746	6.288,01

Rotordurchmesser:	0,7 m
Rotorhöhe:	0,7 m
Blattanzahl:	3 Stk
Wirkungsgrad lt. Lenz:	41 %
Wirkungsgr. Generator:	80 %

Die 2,65 Watt sind aber sogleich auch das untere Ende der Skala, was die Stromerzeugung angeht. Der Generator sollte im Drehzahlband 60 – 500 U/min eine gute Leistung erzielen. Idealerweise sollte die abgebbare Leistung so ansteigen, wie in der Tabelle beschrieben.

Radius Vorflügel:	66 mm
Länge Gesamtflügel:	280 mm

Ein Blick auf den hinteren Teil der Tabelle, zeigt aber auch was jenseits der 15m/s für Kräfte wirken können.
Auf der einen Seite liefert das Windrad im Mittel wahrscheinlich nicht viel mehr als 20 KW/h im Jahr, aber die Konstruktion muss stabil genug sein mehrere 1000 Watt Windleistung auszuhalten.
Um so leichter die Konstruktion ist, desto besser.
Es lässt sich relativ leicht erkennen, dass ein solches Projekt einen gewissen Anspruch hat.

Ich habe mich entschieden für den Bau des Rotors Aluminium zu verwenden, da dies zum einen leicht und zum anderen nicht vor Korrosion geschützt werden muss.
Aluminium ist eloxiert erhältlich. Ich habe mich für Braun entschieden, da das aus meiner Sicht sehr wenig Sonnenlicht reflektiert.
Blankes Alu wirkt wie ein Spiegel und ich will nicht riskieren, dass sich bei Sonnenschein die Nachbarn aufregen.
Bis auf den Mast, vertraue ich Klebe- und Schraubverbindungen.
Die Flügelprofile sind mit UHU Endfest 300 (300 Kg/cm² Haftkraft) verklebt.
Die Verbindungen bis hin zur Nabe sind geschraubt, so das die Möglichkeit besteht den Rotor auszurichten, da bei höheren Umdrehungen eine relativ hohe Unwucht zu Problemen führen würde.
Den Aufbau im Detail werde ich in den folgenden Seiten (Siehe Page Navigation – oben rechts auf der Seite) erklären.

Und zum Schluss noch die Zeichnung des Profils mit das Projekt 2011 begann:

Kreissägeblatt – Generator – Experiment 1

Das erste Experiment mit dem Stator auf dem Kreissägeblatt sollte:

einen Anhaltspunkt geben, wie hoch die Induzierte Spannung ist,
mit welcher Leistung ich rechnen kann
ob das mit den drei Phasen so funktioniert, wie ich es mir vorgestellt habe.

Der Aufbau sollte möglichst einfach sein und sich schnell realisieren lassen, weshalb ich mich dafür entschied 3 Spulen mit je 50m 0,25 mm² Kupferlackdraht zu wickeln.
50 Meter waren gerade verfügbar. Es sind genau 400 Windungen pro Spule heraus gekommen.
Diese wurden ‘im Verhältnis 4:3’ zu den 28 Magneten, also mit 17,14 Grad Abstand ausgehend von der Stator-Mitte auf ein Stück Sperrholz mittels handelsüblichen Bastel-Leim aufgeklebt.
Die Drahtenden wurden in Sternschaltung verbunden, so dass 3 Anschlussdrähte von der Spulenseite her vorhanden sind.
Dann habe ich mit 6 Si-Dioden einen Gleichrichter, genau wie er in Autolichtmaschinen eingesetzt wird, aufgebaut.

Der erste Test lief sehr erfolgversprechend. Der Stator, also das Kreissägeblatt lag auf einer Drehscheibe, so dass ich es leicht per Hand in Rotation versetzen konnte.
Die Spulen wurden während des Laufes so genau es eben ging über die Magneten gehalten.

Ein paar der Versuche habe ich mit der Video Kamera festgehalten, um ermitteln zu können, welche Leistung, bei welcher Drehzahl abgegeben wird, um eine Vorstellung zu bekommen, was aktuell an Leistung raus kommt und in welche Richtung weitere Versuche abgewandelt werden sollten.

Wie in den Grafiken zu erkennen, wurde eine stolze Leistung von ca. 1,6 Watt bei 190 U/min erzeugt, was eine enorme Steigerung zu allen Vorgänger Versuchen ist.

Eigenbau Scheibengenerator auf Kreissägeblatt für niedrige Drehzahlen

Nachdem ich nun schon ein Windrad aufs Dach gebaut habe, muss jetzt noch der geeignete Generator ran. Der Versuch einen Permanentmagnet-Elektromotor als Generator zu verwenden und diesen mittels Rundriemen am Windrad anzubinden ist erwartungsgemäß der volle Reinfall gewesen.

Tipp: Nichts einreden lassen! – Riemen, Getriebe oder sonstige Übersetzungen verderben das gesamte Windradprojekt. Ohne Last läuft das Windrad bei unter 2m/s an. Allein den Motor (Generator) in Drehung zu versetzen brauchte 5m/s Wind. Das reichte aber auch nicht. Ladespannung für die Autobatterie kam erst bei richtig fett Wind, wie es im Monat vielleicht 20 Stunden vorkommt. Die Ladeleistung lag dann bei ca. 5 Watt. -> Abhaken!

Back to the roots;

Ein Scheibengenerator ist für geringe Drehzahlen geeignet. Je größer der Durchmesser ist, desto höher ist die Winkelgeschwindigkeit. Das ist von Vorteil, da ab 60 U/min mindestens 1 Watt kommen soll.

Es gibt ja diverse Beispiele im Netz, die Eigenbauprojekte von Scheibengeneratoren zeigen. Die meisten sehen recht massiv aus, basieren auf Bremsscheiben für den Stator und sind für höhere Drehzahlen (500/min und höher) ausgelegt. Es lässt sich aber viel lernen.

Ich will es diesmal gleich richtig machen und plane einen 3-Phasen Generator. Das Verhältnis Magneten zu Spulen beträgt 4:3. Die Webseite beschreibt es recht schön. Des weiteren sind die Spulen so aufzubauen, dass die Magneten in die Mitte passen, ohne von Leitern überdeckt zu werden.

Ich habe mich für ein Kreissägeblatt mit 41,5cm Durchmesser entschieden. Zudem habe ich mir bei Ebay 30 Magneten mit einem Durchmesser von 28,8mm und 3,3mm Stärke gekauft. Haftkraft 28KG/Magnet! Ich hätte gern stärkere (dickere) Magneten genommen, bin aber ehrlich gesagt zu geizig gewesen 5€ oder mehr pro Magnet auszugeben. -> Ich benötige genau 28 davon, die in einem Radius von 185mm vom Kreismittelpunkt zum Magnetmittelpunkt im Abstand von ca. 12,86 Grad angebracht werden.

Die Spulen werden im Winkel von 17,14 Grad angeordnet, so dass das Verhältnis von 4:3 eingehalten wird. Für die ersten Versuche werde ich eine Spule je Phase verwenden.

Der Aufbau:

Scheibengenerator - Vorschau_Schablone_Magneten_Kreissaegeblatt1

Scheibengenerator - Vorschau_Schablone_Magneten_Kreissaegeblatt2

Scheibengenerator - Vorschau_Schablone_Magneten_Kreissaegeblatt3

Scheibengenerator - Vorschau_Schablone_Magneten_Kreissaegeblatt4

Scheibengenerator - Vorschau_Schablone_Magneten_Kreissaegeblatt5

Scheibengenerator - Free-Cad_Konstruktionszeichnung

Um die Magneten an der richtigen Stelle aufkleben zu können, habe ich mir eine Schablone aus Sperrholz ausgesägt.
Es war mir zu riskant die Position nur auf dem Blatt zu markieren und zu hoffen, dass die Magneten sich genau positionieren lassen, ohne sich anzuziehen.
Schließlich schwimmen die Teile ein wenig auf dem Kleber.
Ich habe UHU Endfest 300 genommen. Das sollte halten.

Die Zeichnung für die Bohrlöcher der Schablone, habe ich mit free-cad erstellt.
Das ganze wurde dann in Inkscape als SVG-Grafik übertragen ausgedruckt und aufgeklebt.
Aussägen, fertig!

Da der Stator sich auch drehen muss, habe ich kurzerhand eine drehbare Unterlage für einen Fernseher oder ähnliches mittig unter gelegt. Für Versuchszwecke funktioniert das recht gut. Hier ist es im Video zu sehen.

Wer auf das Free-Cad Logo klickt, kann sich sofern er Free-Cad installiert hat meine Konstruktionszeichnung runter laden, genau so wie die Zeichnung zur Bohrschablone sich hinter dem SVG Logo verbirgt. Als Editor für die SVG Grafiken eignet sich am besten Inkscape.

Eigenbau Wooden Generator 1

Recht schnell wurde quick an dirty eine Versuchsanordnung aufgebaut. Ich habe Wert darauf gelegt möglichst viel Masse nach außen zu verlagern, damit das Drehmoment höher wird und einmal Anschieben ein Stück vorhält. Anbei ein paar Bilder vom Aufbau.

Bauplan:

Ich habe keine Neodym-, sondern ganz normale Keramikmagneten verwendet. Die haben zwar nur ca. 20 Prozent der Leistung eines Neodymmagneten mit gleichem Ausmass, sind aber wesentlich günstiger.
Auf einem Durchmesser von 14,7 cm (Magnetmitte), habe ich 10 Magnete Durchmesser 30mm Höhe 5mm für ca. 3 Euro aus dem Opitec Katalog angebracht.

Bei 60 U*min^-1ergibt das eine stolze Geschwindigkeit von 0,46 m/s im Magnetmittelpunkt. Pro Sekunde würden dann 10 Magneten die Spule(en) überqueren.

Da der ‘Generator’ von der Spannung her sowieso nicht die Welt bringen würde und jede Diode, die im Stromkreis verbaut ist (SI) erstmal 0,7 Volt für sich benötigt, habe ich die Magneten alle mit dem Nordpol nach oben angebracht. Wenn ein Leiter über quer zu den magnetischen Feldlinien bewegt wird, sollte dann Strom in nur eine Richtung fliessen. Soweit zur Theorie. Wie man im folgenden Bild sehen kann, wird doch eine Wechselspannung erzeugt. Lange Zeit war mir unklar warum. Das liegt zum großen Teil auch daran, dass losgeschraubt wird ohne die Grundlagen mal gewissenhaft zu lesen.

Wenn ich eine Spule so wie hier vorgesehen über einen Magneten bewege, wird solange sich nur eine Hälfte der Spule über dem Magnet befindet ein Stromfluss einstellen. Sobald die zweite Spulenseite den Magneten überstreift, kommt ein entgegengerichteter Stromfluß hinzu, was bedeutet, dass beide Ströme sich unter Umständen aufheben. Tolle Konstruktion! Denken hätte geholfen. Es läßt sich an dem Punkt bereits erkennen, dass Potential zur Verbesserung da ist. Ich wurde trotzdem mit dem Leuchten 2er Leuchtdioden belohnt. Ganz erfolglos war es also nicht.

Für den ersten Test habe ich eine (einzige) Spule verwendet. Leider hat diese noch einen 8mm Eisenkern, aber ohne gab es auf die Schelle keine Erfolge. Ich habe einen alten Spulenkörper genommen und 50 Meter 0,25 mm² Kupferlackdraht zu ca. 950 Windungen gewickelt. Das reichte dann bei schnellen anschieben einige Sekunden 2 kleine Leuchtdioden (1,7V – 5mA) aufleuchten zu lassen. Das es funktioniert ist damit schonmal nachgewiesen, auch wenn die Ausbeute miserabel war.