WinDIY – The wind turbine from the 3D printer

On a camping trip away from modern infrastructure, you quickly notice how much you have gotten used to the fact that electricity is somehow available anytime and anywhere. The stupid: Most of the time you will realize this when the electricity is not there.

For this case there are now power banks. But what if the power bank is empty? Charging on the go is difficult without electricity.

I faced the same problem on a camping trip a few years ago. At that time I even had a mobile solar cell with me. This provided some energy, but not enough due to the lack of sun. The sun just wasn’t shining strong enough. But what I had at the moment was wind.

And so the idea of building a wind turbine that can be produced with the 3D printer was born.

Forgotten at first, this idea got a fresh impetus when I stumbled upon a couple of neodymium magnets at the flea market. For little money I got magnets with which a suitable generator can certainly be built.

Over time, this has resulted in the project presented here. Below you will also find detailed building instructions for the individual components.

Note: The wind turbine is currently (10/11/2020) not yet running perfectly. The blades still have to be adjusted and the generator does not match the characteristics of the wind turbine either. So there is still some work to do here. But maybe. the components shown are a suggestion for everyone who is working on their own design of a 3D printed wind turbine. ?


Overview

  • Wind turbine made from 3D printed parts
  • HAWT design
  • Rotor diameters from 0.5 to 1.2 m possible
  • 3D printed wings
  • Uses a 3D printed disc generator to generate power
  • Safety functions through active pitch adjustment of the wings, mechanical brake and electronic brake function via the disc generator
  • Can be printed with any “normal” FDM printer (20 x 20 cm bed size)

Videos


Pictures

Below are a few pictures of different components from different stages of development.


Development

I have documented most of the development and the individual difficulties on Hackaday.io. You can find the link here. 🙂

https://hackaday.io/project/172328-windiy-hawt-wind-turbine


Instructions to build yourself

The structure of WinDIY consists of several individual segments. Since all parts can be printed on a 3D printer with a printing area of 20x20cm, the individual parts must of course still be put together after printing.

Mostly M3 screws and nuts are used in order not to use too many different parts. You can find detailed material lists in the corresponding article.


Electronics

As mentioned above, WinDIY has a few security features. So that these can be controlled in a controlled manner, some electronics are of course necessary. To do this, I started developing a circuit board on which all the necessary components are housed.

The following components have been installed on it so far:

  • Three-way bridge rectifier
  • Step-down regulator
  • Three independent charging circuits for one LiPo cell each
  • Three I2C motor drivers to control the motors of the brake actuator and the pitch actuator
  • various current and voltage sensors to measure the energy generated and consumed
  • Connections for two Hall sensors for measuring the generator speed
  • Connections for three sliding resistors to measure the positions of the pitch actuator and the brake cylinder
  • Connections for two force sensors to measure the contact pressure of the brake cylinder
  • Connections for four NTCs to measure the temperatures of the generator windings and the load resistance.
  • Connection to discharge the rectified voltage to a consumer
  • Connection and electronics to be able to connect a load resistor PWM-controlled.
  • Vibration sensor to detect abnormal vibrations
  • two temperature sensors to monitor the temperatures on the PCB
  • an electronic compass
  • a micro-SD card slot
  • a climate sensor for measuring the ambient temperature, humidity and air pressure

Software

The software is developed using the Arduino IDE. You can find the current status in the Nerdiy-Git under the following link:

https://github.com/Nerdiyde/genCon

6 comments

  1. Ich hab gelesen es gibt Probleme mit der Drehzahl? Ich bin mir nicht 100% sicher wie es mit dem Drehmoment welches erzeugt wird aussieht aber ein gut Laufendes Planetengetriebe in der Rotorname sollte die Drehzahl deutlich steigern und würde nicht viel Platz weg nehmen?
    Geiles Projekt by the way

    1. Hey Daniel,
      danke für den Vorschlag. 🙂 Ich arbeite aktuell daran die gesamte Konstruktion etwas zu vereinfachen. Das Planetengetriebe hatte ich dabei noch gar nicht auf dem “Zettel”. Danke für den Hinweis. 🙂
      Beste Grüße
      Fab

  2. Hallo,
    Die Magnete sind in Halbach Anordnung? Das erhöht den Magnetischen Fluß.
    Der 3-Wege Brückengleichrichter ist ein Standard-Modell mit Doiden? Evtl mal MosFET versuchen.
    Dioden fressen immer etwas Spannung – bei Brückengleichrichtern ist das das doppelte der Durchlassspannung. Also bei Silizium Dioden verlierst Du gleich mal 1.4 Volt.
    Mit MosFET verlierst Du fast nichts – microvolts.
    Bei Google mal “mosfet als diode” suchen lassen.
    Gerne diese Methode auch im Spannungswandler anwenden.
    Wenn ausreichend Drehmoment da ist, aber zu wenig Drehzahl, vielleicht ein Planetengetriebe benutzen. So machen es auch die “großen”.
    Und die Spulen mit mehr Windungen wickeln. Das erhöht deren Spannung und man bekommt schon bei niedrigerer Drehzahl was raus.

    1. Hey Michael,
      eine Halbach Anordnung ist es nicht. Der gebaute Generator ist auch noch recht simpel und aufgrund der nicht wirklich passenden Magnete nicht optimal. Einen kleinen Eindruck kannst du hier bekommen: https://nerdiy.de/nerdiskerator-a-generator-from-the-3d-printer/
      Die MOSFET Gleichrichter-Lösung finde ich auch sehr interessant. Allerdings hatte/habe ich etwas Respekt vor der korrekten Ansteuerung der MOSFETs und habe es deswegen erst mal etwas weiter unten auf “der liste” eingetragen. Andererseits sind die ersparten Verluste schon recht spannend.
      Vielen Dank für deine Hinweise. 🙂
      Beste Grüße
      Fabian

  3. Geht mir mit MosFETs auch so. Als ich in der Ausbildung zum Energieanlagenelektroniker war, kamen gerade die ersten MosFETs auf den Markt, die 2 Ampere konnten. Die waren so groß wie 2-Euro-Münzen.

    Ich habe gerade aus Neugier und Langeweile mal gegoogelt.
    Dabei habe ich gelernt, daß ein 3-Phasen Gleichrichter mit MOSfets nicht so einfach ist, wie einer mit Dioden.
    Z.B. reichen 6 Dioden dafür, aber man braucht 12 MosFETs. Denn man braucht eine volle Brücke pro Phase, da die Ansteuerung vom Gegenpol genommen werden muß. Das geht bei Drehstrom nicht…

    Dann fand ich noch eine Schaltung mit einem Steuer-IC… LT4320 – auch interessant.

    Ich habe einen Link angefügt, der eine komplette Schaltung zeigt, die sogar für 3-Phasigen Wechselstrom funktionieren dürfte – oder 4, 5, 6, ganz viele…
    Dort hat jeder MosFET seine eigene kleine Ansteuerung und kann so exakt wie eine Diode funktionieren.
    Er schreibt allerdings, daß es ihm nicht gelungen sei, die Schaltung ohne externe Versorgung der Steuerschaltung zu starten. Aber das gilt wohl für eine Software-Simulation.
    Müsste man mal ausprobieren.

    https://www.mikrocontroller.net/topic/375657

    Zum Planetengetriebe… Das soll ja dafür sorgen, daß sich der Generator schneller dreht um höhere Spannungen in die Spulen zu induzieren.
    Da hatte ich den Gedanken, stattdessen einen Ring außen an den Propellern anzubringen und dort die Magneten anzubringen. Außen herum dann die Spulen.

    Ein paar Worte zu der Anzahl der Magnete und Spulen…
    Eine beliebige gerade Anzahl von Magneten. Die Anzahl der Spulen sollte um 1 niedriger oder höher sein!
    Das verringert das Anlaufmoment enorm, da die Einrastkräfte der Magnete und Spulenkerne sich beinahe komplett aufheben. Dann allerdings benötigt man auch viele Dioden/MosFETs – zwei pro Spule.

    Zu guter letzt kann man das noch als Wind-Trubine gestalten. D.h. in der Mitte gubt es keine Propellerflüge, sondern nur am äußeren Rand. Durch einen Kegel in der Turbinenmitte wird der Luftstrom aus dem Zentrum der Turbine auf die Flügel geleitet und direkt vor den Flügeln sollte die Luft in Drehung versetzt werden, um den Propeller noch stärker anzutreiben.
    Das ganze dann in ein Rohr einbauen. Das verhindert Turbolenzen an den Flügelspitzen und daß die aus der Mitte verdrängte Luft einfach nach außen entweicht, ohne die Flügel anzutreiben.
    Nun sieht das Teil aus, wie eine Flugzeugturbine, nur kürzer.

    Ok – jetzt wird’s noch eine Stufe heftiger…
    Das ganze wird nun an einem Mast montiert. Unterhalb der Turbine ist am Mast ein Zahnrad montiert.
    Unten an der Turbine werden zwei kleinere Propeller angebracht.Diese müssen im Winkel von 90° zueinander stehen. Sie treiben über Kardangelenke oder Kegelzahnräder ein Differential an und zwar so, daß bei gleicher Anströmung der Propeller das Differential ausgeglichen ist – d.h. es dreht sich nicht.
    Wird einer der Propeller stärker angeströmt, weil sich die Windrichtung geändert hat, dreht dieser Propeller schneller als der andere und das Differential dreht sich. Es greift in das am Mast angebrachte Zahnrad und dreht die Turbine wieder in den Wind.
    Der Vorteil gegenüber einer Finne ist, daß die Trubine sich langsan in den Wind dreht und nicht zu flattern beginnt, sollte der Wind einmal unstet die Richtung ändern.

  4. Sind das Metallschrauben in den Spulen als Eisenkerne?
    Naja – für den ersten Versuch nicht schlecht.
    Da nimmt man aber besser Trafo-Blech. Also ab in den Trafo-Blech Laden 🙂
    Trafo-Bleche sind dünne Eisen-Scheiben, die voneinander isoliert zu einem Eisen-Kern gestapelt werden.

    Während meiner Ausbildung zum Energieanlagenelektroniker durften wir alle einen Transformator bauen.
    Inklusive Trafo-Kern stapeln, den zuvor gewickelten Plastik-Wickelkörper aufsetzen, Klemmleiste anlöten.
    Die (manuelle) Wickelmaschine hat den Draht immer schönauf Spannung gehalten. Eng und fest gewickelt ist besser – Der Magnetische Fluß nimmt im Quadrat zur Entfernung vom Kern ab und damit die übertragene Leistung.

    Ein Ferrit-Kern sollte sogar noch bessere Ergebnisse liefern.

    Grund dafür sind Wirbelströme im Eisenkern, die entstehen, wenn das Magnetfeld auch im Eisenkern Ströme induziert. Der Kern schließt diese natürlich sofort kurz, wodurch der Eisenkern sich erhitzt.
    Diese Wärme wird dann nicht mehr zu Elektrischer Energie…

    Die isolierten Eisenscheiben reduzieren die Stromwirbel enorm. Ein Ferrit-Kern besteht aus gesintertem Material, in dem die Stromwirbel nur noch Millimeterbruchteile Platz haben und so kaum noch Energie “verbraten”.

    Fehlt eigentlich nur noch ein Buck-Boost-Converter, um auch brauchbare Spannungbei niedrigen Umdrehungen erzeugen zu können und eine Optimal-Punkt-Steuerung, die die Distanz der Magneten zu den Spulen so einstellen kann, daß bei verschiedenen Windstärken immer der beste Wirkungsgrad erzielt wird.

    Wenn Du dann alles fertig hast, stell das Ding der Nasa vor. Auf dem Mars gibt es mehr Wind als Sonne!

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