WinDIY – Die Wind-Turbine aus dem 3D Drucker

Auf einem Camping-Trip abseits von moderner Infrastruktur fällt einem schnell auf wie sehr man sich eigentlich daran gewöhnt hat, dass Strom immer und überall irgendwie verfügbar ist. Das doofe: Meistens fällt dies auf, wenn der Strom gerade nicht da ist. 

Für diesen Fall gibt es mittlerweile Powerbanks. Aber was wenn die Powerbank leer ist? Unterwegs aufladen ist ohne Strom schwierig. 

Vor dem gleichen Problem stand ich vor ein paar Jahren während eines Camping-Trips. Damals hatte ich sogar eine mobile Solarzelle dabei. Diese lieferte zwar etwas Energie, aber mangels Sonne nicht genug. Die Sonne schien einfach nicht kräftig genug. Was ich dagegen hatte war Wind. 

Und so entstand die Idee Wind-Turbine zu bauen die sich mit dem 3D Drucker selbst herstellen lässt.

Zunächst vergessen bekam diese Idee dann frischen Aufwind, als ich auf dem Flohmarkt über ein paar Neodym Magnete gestolpert bin. Für kleines Geld bekam ich dort Magnete mit denen sich doch sicherlich auch ein passender Generator bauen lässt.

Mit der Zeit ist daraus das hier präsentierte Projekt entstanden. Weiter unten findet Ihr dazu auch detaillierte Bauanleitungen der einzelnen Komponenten.

Wichtig: Die Windturbine läuft aktuell (11.10.2020) noch nicht perfekt. Die Flügel müssen noch angepasst werden und auch der Generator passt noch nicht ganz zu den Eigenschaften der Windturbine. Hier liegt also noch etwas Arbeit vor mir. Aber vllt. sind die gezeigten Komponenten bis dahin schonmal eine Anregung für jeden der an seinem eigenen Entwurf einer 3D gedruckten Windturbine arbeitet. 🙂


Überblick

  • Windturbine aus 3D-gedruckten Teilen
  • HAWT Design
  • Rotordurchmesser von 0,5 bis 1,2 m möglich
  • 3D gedruckte Flügel
  • Verwendet einen 3D-gedruckten Scheibengenerator zur Energieerzeugung
  • Sicherheitsfunktionen durch aktive Pitch-Einstellung der Flügel, mechanische Bremse und elektronische Bremsfunktion über den Scheibengenerator
  • Kann mit jedem „normalen“ FDM-Drucker (20 x 20 cm Bettgröße) gedruckt werden

Videos

Bilder

Im folgenden ein paar Bilder verschiedener Komponenten aus verschiedenen Entwicklungsstadien.


Entwicklung

Die Entwicklung und die einzelnen Schwierigkeiten habe ich zum Großteil auf Hackaday.io dokumentiert. Den Link dazu findet Ihr hier. 🙂

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


Anleitungen zum selber bauen

Der Aufbau von WinDIY besteht aus mehreren einzelnen Segmenten. Da alle Teile auf einem 3D Drucker mit einer Druckfläche von 20x20cm gedruckt werden können, müssen die einzelnen Teile nach dem Druck natürlich noch zusammengesetzt werden.

Dabei werden Größtenteils M3 Schrauben und Muttern verwendet um nicht zu viele unterschiedliche Teile zu benutzen. Detaillierte Materiallisten findet Ihr jeweils im entsprechenden Artikel.


Elektronik

WinDIY verfügt wie oben erwähnt über ein paar Sicherheitsfeatures. Damit diese kontrolliert angesteuert werden können ist natürlich etwas Elektronik notwendig. Dazu habe ich mit der Entwicklung einer Platine begonnen, auf der alle notwendigen Komponenten untergebracht sind.

Darauf verbaut sind bisher folgende Komponenten:

  • Drei-Wege Brückengleichrichter
  • Step-Down-Regler
  • Drei voneinander unabhängige Ladeschaltungen für jeweils eine LiPo Zelle
  • Drei I2C Motortreiber um die Motoren des Bremsaktors sowie des Pitch Aktors ansteuern zu können
  • diverse Strom- und Spannungssensoren um die erzeugte und verbrauchte Energie messen zu können
  • Anschlüsse für zwei Hall-Sensoren zur Messung der Generator-Drehzahl
  • Anschlüsse für drei Schiebewiderstände um die Positionen des Pitch-Aktors und der Bremszylinder messen zu können
  • Anschlüsse für zwei Kraftsensoren um den Anpressdruck der Bremszylinder messen zu können
  • Anschlüsse für vier NTCs um die Temperaturen der Generatorwicklungen sowie des Lastwiderstands messen zu können.
  • Anschluss um die Gleichgerichtete Spannung an einen Verbraucher abführen zu können
  • Anschluss und Elektronik um einen Lastwiderstand PWM-gesteuert zuschalten zu können.
  • Vibrationssensor um abnormale Vibrationen zu erkennen
  • zwei Temperatursensoren um die Temperaturen auf dem PCB überwachen zu können
  • ein elektronischer Kompass
  • ein micro-SD kartensteckplatz
  • ein Klimasensor zur Messung der Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck

Software

Die Software wird mithilfe der Arduino IDE entwickelt. Den aktuellen Stand findet Ihr im Nerdiy-Git unter folgendem Link:

https://github.com/Nerdiyde/genCon

6 Kommentare

  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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