• Eddy-2-Power
• Bremse

Bei übermäßig starkem Wind, zur Wartung oder wenn die Batterien voll geladen sind kann es notwendig werden, dass der Rotor abgebremst werden muss.

mechanische Bremse

Eine mechanische Bremse wandelt die Rotationsenergie in Wärme um. Sie hat die Funktion den Rotor zum Stillstand zu bringen und/oder im Stillstand zu halten. Sie ist nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt (also halten einer gewünschten Drehgeschwindigkeit).

Bei ersten Überlegungen gingen wir von Fahrradbremsen aus. Sie sind kompakt, robust, wartungsarm, günstig und überall erhältlich. Fahrradräder drehen sich im Bereich von 100-400 Umdrehungen pro Minute (28" bei 20km/h ca. 150rpm) also gut halb so schnell, wie der Rotor (vermutlich bis max. 1000rpm). Dafür sind sie zum Abbremsen größerer Massen ausgelegt.

• Sie muss jederzeit händisch bedienbar sein und dann als Feststellbremse funktionieren
• Wie kann die Bremse zusätzlich automatisiert und fern gesteuert werden?

Als mögliche Lösung wurde eine V-Brake-Bremsbacke in einem Quadratrohr untergebracht. Unter dem Rohr ist eine M8 Mutter geschweißt. Wird eine Gewindestange durch diese Mutter gedreht, schraubt sie sich in das Quadratrohr und drückt die Bremsbacke nach oben gegen die Bremsscheibe auf dem Radlager. Die Gewindestange kann zum Boden mit einem Gartenschlauch verlängert werden, damit die Bremse vom Boden aus ausgelöst werden kann.

Das Bild zeigt das Prinzip der Bremse. Die dargestellte Bremsscheibe ist jedoch zu klein, um bis zur Bremsbacke zu reichen. Damit die Anlage funktioniert, muss die Bremse weiter zum Radlager hin versetzt werden.

Trommel- vs. Scheibenbremse

• ???

Bowdenzug vs. Hydraulik

Entscheidung für Bremssystem mit Bowdenzug, weil:

• leicht verleg- & verlängerbar

• wartungsarm
• erfordert kein Spezialwerkzeug, Hydrauliköl o.ä.
• weit verbreitet und gut aus Auto, Fahrradschrott recyclebar
• ungeklärte Frage: Lässt sich eine hydraulische Bremse vertikal betreiben?

Stoppsystem

Die Testanlage kann mit einer Bremse installiert werden, die immer dann voll anzieht, wenn bestimmte Vorraussetzungen erfüllt sind. Das könnte z.B. sein:

• manueller Schalter ist auf "Aus"
• Batterien sind nicht angeschlossen
• Ladeelektronik hat einen Fehler
• Messelektronik gibt "Aus" Signal z.B. wegen zu hoher Windgeschwindigkeiten

Das Stoppsystem ist mit Federn realisierbar. Die Bremse wird durch Federn angezogen. Durch einen Mechanismus muss sie aktiv gelockert werden. Fällt der Mechanismus aus oder sind nicht alle Bedingungen erfüllt, muss die Bremse nach einem Check händisch wieder gelockert werden.

elektrische Bremse

Der Generator fungiert, in dem er Strom erzeugt als Bremse. Im Betrieb wird die elektrische Last so ausgewogen sein, dass der Rotor im optimalen Bereich für den Generator dreht. Wird die Last erhöht bremst der Rotor weiter ab. In langen Sturmphasen, wenn die Akkus aufgeladen sind, muss die erzeugte Energie dann umgewandelt werden - siehe Eddy-2-Power/Überladeschutz. Meistens wird der Strom durch Lastwiderstände in Wärme umgewandelt. So trägt Windkraft dann auch zur Erderwärmung bei.

aerodynamische Bremse

Der H-Rotor kann innen mit einem Savonius Rotor ergänzt werden. Das verbessert das Anlaufverhalten. Das Windrad dreht sich schon bei geringeren Windgeschwindigkeiten. Bei höheren Windgeschwindigkeiten bremst der Savonius (Widerstandsläufer), den schneller drehenden H-Rotor (Auftriebsläufer) ab. Die Effizienz des gesamten Systems sinkt vermutlich. Die Konstruktion wird anspruchsvoller (Gesamtgewicht, Luftwiderstand, Auswuchten, Geräusche...) und durch die Überlagerung mehrerer Effekte weniger nachvollziehbar.

Fliehkraftregler

Eine weitere Möglichkeit wäre über einen Fliehkraftregler die Rotorblätter zu verstellen oder bremsende Flügel o.ä. auszuklappen. Da wir die Rotorkonstruktion möglichst einfach halten wollen wurde in dieser Richtung vorerst nicht weiter gedacht. Ein Fliehkraftregler ist auch für die automatisierte cut out Abschaltung denkbar.

energetische Betrachtung

Das rotierende Windrad enthält eine Energie X, die aus den rotierenden Massen von Rotor und Nabe stammt und erfährt zusätzlich die Energiezufuhr durch den Wind. Diese Gesamtenergie gilt es bei einer Vollbremsung abzubauen. Für die Abschätzung wird von einer Windgeschwindigkeit von 24m/s ausgegangen die zu 960 Umdrehungen pro Minute führen (Rotordurchmesser 1m, Rotorbattlänge 1m, Rotorblattgewicht 1kg).

Rotationsenergie Rotorblatt

Das Rotorblatt kann vereinfacht als Massepunkt auf einer Kreisbahn angenommen werden. Damit ist die Berechnung denkbar einfach.

J = m * r² * N (J: Trägheitsmoment, m: Masse, r: Radius; Entfernung von Drehachse, N: Anzahl der Rotorblätter)

J = 1kg * (0,5m)² * 3 = 0,75 kg*m²

w = 2 * Pi / T = 2 * Pi * n (w: Winkelgeschwindigkeit, Pi: 3,1415927 ;), T: Umlaufzeit, n: Drehzahl)

L = J * w (L: Drehimpuls, J: Trägheitsmoment, w: Winkelgeschwindigkeit)

L = 0,75 *kg*m² * 2 * Pi * 16 *1/s = 75 kg*m²/s (im Bsp. w = 960rpm = 16*1/s)

E = 0,5 * J * w² (E: Rotationsenergie, J: Trägheitsmoment, w: Winkelgeschwindigkeit)

E = 0,5 * J * (2 * Pi * n)²

E = 0,5 * 1kg * (0,5m)² * 3 * (2 * Pi * 16)² =~ 3789 kg*m²/s² (Ws)

Rotationsenergie Nabe

Die Nabe betrachten wir vereinfacht als langen dünnen Stab und können dann so ihre Rotationsenergie berechnen:

J = 1/24 * m * r² * N (J: Trägheitsmoment, m: Masse, r:Radius; Entfernung von Drehachse, N: Anzahl der Rotorblätter)

J = 1/24 * 1kg * (0,5m)² * 3 = 0,03125 kg*m²

w = 2 * Pi / T = 2 * Pi * n (w: Winkelgeschwindigkeit, Pi: 3,1415927 ;), T: Umlaufzeit, n: Drehzahl)

L = J * w (L: Drehimpuls, J: Trägheitsmoment, w: Winkelgeschwindigkeit)

L = 1/24 * 1kg * (0,5m)² * 3 * 2 * Pi * 16 = 3 kg*m²/s

E = 0,5 * J * w² (E: Rotationsenergie, J: Trägheitsmoment, w: Winkelgeschwindigkeit)

E = 0,5 * J * (2 * Pi * n)²

E = 0,5 * 0,03125 * (2 * Pi * 16)² =~ 157 kg*m²/s² (Ws)

auf den Rotor übertragene Windenergie

Bei Windgeschwindigkeiten von 24m/s enthält der Wind ca. 8.600W. Nach Betz Theorem (auch wenn es bei Vertiaklflüglern nur bedingt anwendbar ist) könnten max. 59% entzogen werden. Im Besten Fall hat der Rotor einen Wirkungsgrad von 25% (eher Richtung 20%). Dann werden dem Rotor ~1.268Ws durch den Wind hinzu gefügt.

Vgl. mit Bewegungsenergie Fahrrad

Eine mit 20 km/h bewegte Masse von 100kg hat eine kinetische Energie von 1543Ws (0,5 * 100 * (20/3,6)²), bei 50km/h sind es 9645Ws. Ein 26" Rad macht bei 50km/h mit 400 Umdrehungen pro Minute.

Das Windrad hat bei 24m/s Windgeschw. und 960rpm eine Gesamtrotationsenergie (Rotationsenergien Rotorblatt + Nabe + entzogene Windenergie) von ~5214Ws.

Von der Größenordnung her sollte ein für Fahrräder ausgelegtes Bremssystem also ausreichen, um das Windrad bei Starkwind (cut out speed) sicher in den Stillstand zu bringen.