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.

Frage: Wie kann die Bremse (außer händisch) gesteuert 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

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.

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.

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.