Anlage zum Material Bau des Dynamo-Windrades - Vision

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Schule: Egbert-Gymnasium Münsterschwarzach.......................................
Partnerfirma: Schlossereibetrieb der Abtei Münsterschwarzach.............................
Abgabedatum: 30.04.06 ......................................................
Thema: Regenerative Energien am Beispiel Windkraft......................
Anlagen zum Material für den Unterricht:
Anleitung zum Bau eines Fahrraddynamo-Windrades
Die Leistung dieses Windrades beträgt nur ca. 3 Watt. Diese werden bereits bei ca. 5m/s
Windgeschwindigkeit erreicht, das entspricht ungefähr dem Fahrtwind, wenn man bei Windstille flott
Fahrrad fährt. Die Stromausbeute ist daher gering, sie reicht nur für wiederaufladbare Batterien oder
dem Betrieb eines kleines Fahrradlämpchen.
Das komplette Windrad mit einem Repeller aus Holz, einer Anlaufhilfe aus Blech, einem
Fahrraddynamo und einer Steuerfahne aus Holz
Die Beschreibung der wichtigen Teile:
Der Repeller
Zum Antrieb des Generators dient ein Repeller. Der lässt sich aus einer Holzleiste einfach bauen und
läuft dank des aerodynamischen Profils so schnell und leistungsstark, dass wir kein Getriebe
brauchen, sondern ihn direkt auf den Generator setzen können.
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Nimm eine Leiste aus möglichst gleichmäßig gewachsenem Holz, also ohne Äste und mit beinahe
parallel zu den Schnittkanten verlaufender Maserung. Ideal ist eine Leiste mit fast senkrecht durch
den Querschnitt laufender Maserung.
Markiere den Mittelpunkt, bohre dort ein Loch passend für einen kleinen Nagel (z.B. 2 mm Ø ), so
dass der sich leicht im Loch drehen lässt.
Zeichne zuerst eine Linie 6 mm von der ursprünglichen Kante der Leiste entfernt an, spanne die
Leiste mit zwei kleinen Schraubzwingen so auf die Tischkante, dass sie überall gut aufliegt und
raspele dann die Schrägen. Sie sollen zur Nabe hin langsam auslaufen, damit es einen Übergang zur
Nabe gibt, und nicht plötzlich aufhören, denn die entstehende Stufe wäre eine eingebaute Bruchstelle.
Die 6 mm für die Schräge sind ein Richtwert. Sie bestimmen den Anstellwinkel und damit die
Schnellläufigkeit des Repellers. Für leichtgängige Dynamos sind auch 5 mm gut.
Die Anlaufhilfe:
Da sich der Fahrraddynamo ruckweise dreht, wird der Anlauf des Repellers erschwert. Deshalb wird
eine Anlaufhilfe benötigt.
Montage der Anlaufhilfe am Repeller
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Auch die Anlaufhilfe muss genau ausbalanciert sein. Die Bohrung in der Mitte ist wieder passend für
den Nagel. Die Bohrung rechts oben und links unten bekommt 4 mm Ø.
Montage des Repellers an den Dynamo:
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Um den Repeller und die Anlaufhilfe am Dynamo zu befestigen, müssen jetzt zwei Muttern auf die
Achse, zwischen denen er eingeklemmt wird. Doch dafür ist die Achse zu kurz.......... Macht nichts!
Befestige nur die Anlaufhilfe zwischen den beiden Muttern (Mittelpunktsloch dafür auf
Achsdurchmesser bohren, (meist 5 mm). Das Loch im Repeller bohre aber so groß, dass es stramm
über die Mutter passt (8-9 mm Ø) und schraube nun den Repeller an die Anlaufhilfe.
Zum Schluss prüfe, ob der Repeller wirklich genau rechtwinklig auf der Achse sitzt. Sonst gibt es eine
„dynamische Unwucht“, d.h. die Fliehkraft will den Repeller stets rechtwinklig zur Achse zerren.
Notfalls biege ein wenig an dem Mittelteil der Anlaufhilfe, damit er winklig sitzt.
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Bau der Leitfahne und Montage der Leitfahne an den Dynamo:
Die Stange vom Dynamo zur Steuerfahne sollte aus Holz und ca. 40 cm lang sein.
Die Breite sollte ca. 2 cm und die Höhe auch ca. 2 cm betragen. Die Maße für die Leitfahne sind in der
Zeichnung beschrieben.
Montage der Leitfahne mittels zweier Schellen
Die Befestigung Leitfahne am Dynamo erfolgt über zwei Schellen, die in jedem Baumarkt günstig zu
erwerben sind.
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Herstellung eines Mastdrehlagers und Befestigung des Windrades an einem Standfuss:
Um den Dynamo drehbar zu machen, genügt es, seine Feder zu entfernen.
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Damit der Dynamo drehbar wird, genügt es die Feder zu entfernen
Normaler weise genügt es mit der Anschlussbohrung für das Fahrradgehäuse das Windrad an einer
beliebigen Stange zu besfestigen, die dann zum Beispiel in den Boden des Gartens gerammt werden
kann. Dabei ist zu achten, dass alle Drehbewegungen den Windrades uneingeschränkt funktionieren.
Ist das nicht der Fall, kann, wie im vorliegenden Fall, ein kurzes Eisenstück noch an die Halterung des
Dynamos angebracht werden.
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zusätzliche Montage eines Flacheisens zur besseren Stabilisierung an ein Standholz
Stromanschluss und Ausblicke:
Schließe nun ein Kabel an das Gehäuse des Dynamos an und ein anderes Kabel am
Dymnamoanschluss an.
Hinweis: Der Dynamo liefert Wechselstrom, möchte man das Windrad z.B. zum Aufladen von
Batterien verwenden, muss ein Gleichrichter angebracht werden.
Manche Dynamos lassen sich aufschrauben und dadurch kann man durch Verändern ihrer Wicklung
die Leistungsabgabe verbessern.
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Das Windrad in Aktion
Noch einmal das komplette Windrad von der anderen Seite
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Anlage zur Dokumentation:
Beschreibung des Vorgehens bei der Entwicklung der amerikanischen
Windturbine:
Zunächst erkundigten wir uns über Internet und Bücher über verschiedene Modelle
und deren Vor- und Nachteile, Bauart, Materialien usw. Wir entschieden uns
daraufhin für die amerikanische Windturbine, die sich durch die als relativ einfache
Bauart und das Anlaufen bei einer geringen Windgeschwindigkeit von 2m/s
auszeichnet.
Als wir uns ausführlich über den Bau und die Technik informiert hatten, mussten
zunächst aus dem Buch „Wie man Windräder baut“ einige nicht ganz einfache
Berechnungen zur Bestimmung der Flügelzahl, des Durchmessers, der Schaufelform,
der Verschränkung, der Wölbung und anderer Größen durchgeführt werden.
Dabei stießen wir teilweise auch an die Grenzen unserer mathematischen
Fähigkeiten, sodass einige Ergebnisse abgeschätzt oder gerundet wurden.
Schüler „drücken“ statt Schulbank die Werkbank
Als dies getan war, begannen wir damit, Probeexemplare der Flügel herzustellen.
Mittels der Tafelschere und der Rundbank stellten wir aus verzinktem, 0,6 mm dicken
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Blech bald unsere 21 Flügel her, die mit der Hand noch präzise geschnitten und
entgratet wurden. Danach widmeten wir uns den Winkelstücken. Diese wurden mit
Kartonschablonen auf Blechreste gerissen, d.h. vorgezeichnet, und dann per
Tafelschere bzw. die kleinen Eckchen per Hand abgeschnitten. Daraufhin mussten
Schlitze eingeschnitten werden und die Laschen auf Werkbänken präzise
umgeklappt werden, sodass die Flügel von uns an die Winkelstücke geschweißt
werden konnten.
Eine Menge Flügel: ungeordnet und geordnet
Herr Rumpel führte uns auch in die Schweißtechniken ein. Hier beim Anschweißen der Flügel
Wir gingen alle davon aus, das diese Konstruktionen dann an den vorher
zurechtgebogenen Metallrahmen angeschweißt werden könnten, doch nachdem es
Probleme von Seiten des überhitzenden Schweißgerätes gab, mussten mühevoll die
Abstände vermessen, 84 Löcher durch den massiven Stahl gebohrt und die Flügel
samt Winkel ebenso oft per Hand angenietet werden. Dies alles hat uns unerwartet
viel Zeit und Anstrengung gekostet.
Als diese Arbeit getan war, ging es ans Streichen unserer Konstruktion. Zunächst
mussten alle Schweißnähte, Nietstellen und Metallteile bis auf die verzinkten Flügel
mit einer Rostschutzfarbe bzw. flüssigem Aluminium versehen werden. Da diese
Farben einer hohen Trocknungszeit bedürfen, konnten wir erst in der darauf
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folgenden Woche fortfahren die andere, vorher unzugängliche Seite, zu bestreichen.
Nach wiederum fast einer Woche wurde darüber
rote bzw. schwarze Farbe gepinselt.
Auch einfache Arbeiten, wie das Anstreichen der Teile, waren für viele neu
Während der darauf folgenden Trocknungszeit machten wir uns Gedanken über die
Energieübertragung und -abnahme, doch als wir die von der VW- Filiale in
Wiesentheid gesponsorte Lichtmaschine auf der Drehbank befestigten, stellten wir
fest, dass unser Windrad nicht die notwendigen ca. 2000 U/min lieferte, sondern nur
ca. 500 U/min.
Drehbank wurde zum Testen der Lichtmaschine umfunktioniert
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Nach langem Überlegen fanden wir eine Alternativmöglichkeit: eine Lichtmaschine,
die aus einem kaputten alten Auto, wo sie zum Antrieb des Gebläses gedient hatte,
ausgebaut worden war, stellte die Lösung unseres Problems dar und bewies sich auf
der Drehbank.
Anschluss der Lichtmaschine ans Messgerät
Um sie allerdings verwenden zu können, musste eine höhere Undrehungszahl
erzeugt werden, indem wir als Übersetzung eine ehemalige Fahrradkette an
unsere Flügelkonstruktion anbauten und mit ihr das Lager einer ausgedienten
Paketschnürmaschine, das an der Flügelkonstruktion fest geschweißt wurde, mit
einem Fahrradreifen, der auf einer selbst konstruierten Gabel war, verbanden.
Fahrradreifen auf selbst konstruierter Gabel
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Lüftermotor als Generator
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So weit die Theorie. Die Praxis sah jedoch anders aus. Das Loch, das zum
Verbinden des Lagers mit den Flügeln notwendig gewesen wäre, hatte einen zu
großen Durchmesser für die herkömmliche Ständerbohrmaschine, also mussten sehr
viele kleine Löcher entlang des Kreises gebohrt werden und der innere Teil der Platte
dann mit dem Hammer hinaus geschlagen und gerade gefeilt werden.
Außerdem gab es Probleme beim Bau unserer Gabel für den Fahrradreifen.
Nachdem wir 2 Löcher durch ein Eisen gebohrt hatten, mussten diese noch
durchgehend verbunden werden. Da aber eine Flex zu groß gewesen wäre und es
auch keine andere Möglichkeit gab, mussten wir die Löcher Millimeter für Millimeter
mit der Feile verbinden.
Weitere Schwierigkeiten gab es wiederum mit der Lichtmaschine, die nicht von alleine
an einer Stelle mittig am Reifen blieb. Also mussten wir mit Muttern und Beilagscheiben
für den richtigen Abstand sorgen und die Maschine mit einer gespannten Feder am
Reifen halten.
Als diese Arbeitsschritte gemacht waren und wir unser enstandenes Teil endlich mit
Hilfe eines Staplers an der Flügelkonstruktion befestigten, merkten wir, das eine
Mutter zu lang war und also an den Trägern anstieß. Um dieses Problem zu
beheben, mussten wir, bevor wir einen Teil der Mutter abflexten, die komplette
Konstruktion auseinandernehmen.
Das Windrad bei einer der vielen Begutachtungen
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Als alles dann wieder zusammengebaut war, probierten wir unser Werk aus, doch
unsere Euphorie wurde jäh gebremst, als das Problem auftrat, dass die Fahrradkette
aufgrund des zu großen Abstandes zu Zahnrad ständig aus der Halterung sprang. Dies
behoben wir, indem wir an die Stütze der Windturbine einen Federspanner einbauten,
der den Abstand wieder verringerte.
Wie lösen wir das Problem der Federspannung?
Eine weitere Herausforderung war die Windfahne, die die Aufgabe hat, das Windrad
immer dem Wind entgegenzustellen, weil es nur möglich war, anhand der Formeln die
Fläche zu berechnen, nicht aber die Länge des Hebels, die Form oder die
Seitenlängen. So beschlossen wir, das Prinzip des harmonisch aussehenden
„Goldenen Schnittes“ 8:5 auf die Seitenlängen mit Hilfe der bestimmen Fläche
anzuwenden.
Um die Windfahne stabiler zu machen, knickten wir die Ränder der Seiten um. Ebenso
verfuhren wir mit den Ecken.
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Viele bislang noch nicht gekannte Arbeiten wurden erlernt und selbst ausgeführt: Gewindeschneiden,
Bohren, Schweißen, Blechschneiden etc.
Das fertig gestellte wird dann einigen Testläufen auf einem hohen Gebäude unserer
Schulanlage gebracht werden und so unser Schulgelände zusätzlich schmücken.
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Die Endmontage
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Beschreibung des Vorgehens bei der Entwicklung des kleinen Windrades:
Mit unserer fünf Mann starken Truppe machten wir uns zu Beginn des Projektes an den Bau eines
kleinen Windrads. Nachdem wir uns eingehend im Internet informiert hatten, kamen wir zu
folgendem Arbeitsablauf:
1.
Mit geschätzten Maßen fertigten wir zuerst den Repeller aus Restholz an. Da der Repeller
wegen der direkten Anschließung an den Dynamo möglichst leistungsstark, schnell und
aerodynamisch sein muss, nahmen wir einen zweiflügliges Modell mit den Maßen: Länge:
50cm und Breite: 10cm (Die Tiefe ist vom Winkel abhängig). Die Oberseite des Repellers
verläuft flach, während die Unterseite eine leichte Wölbung hat. Der Repeller ist so gebaut,
dass er, wenn man ihn um den Mittelpunkt punktspiegelt (um 180°), mit sich selbst zur
Deckung kommt.
Das fertig gestellte Windrad
2.
Als nächstes schlossen wir den Dynamo mit Hilfe von Muttern und Schrauben direkt an den
Repeller an.
Problem: Beim Testen des Repellers stellten wir fest, dass dieser nur mit sehr starker Pressluft
zum Laufen gebracht wurde. Deshalb brachten wir am Repeller eine Anlaufhilfe aus Blech mit
folgenden Maßen an: Länge: 14 cm, Breite: 5cm und Tiefe: 1mm. Winkel der beiden Flügel:
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zwischen 30° und 45°. Die Anlaufhilfe sah einer Miniatur des Repellers ähnlich. Nachdem wir
die Anlaufhilfe angebracht hatten lief der Repeller wesentlich besser an.
Besprechung eines Problems
3.
Gemeinsames Anpacken
Als wir diese Herausforderung gemeistert hatten, wurde es Zeit, dass wir den Ständer bauten.
In dieser Situation hatten wir Glück, da unser relativ alter Fahrraddynamo schon eine
passende Halterung besaß, so dass wir ihn nur noch an die Holzstange schrauben mussten.
(Die Länge der Stange kann beliebig variiert werden)
Links: handwerkliche Fähigkeiten sind gefragt. Rechts: Manchmal hilft auch rohe Gewalt
4.
Natürlich musste sich die Halterung des Fahrraddynamos auch
in die jeweilige Windrichtung drehen können. Dazu entfernten wir aus den Dynamo eine
Feder, die dazu diente, die Drehbewegung auszuschalten.
5.
Danach bauten wir aus einer 30 cm langen, 5cm breiten und 5cm tiefen Leiste und einem
Stück Sperrholz eine Steuerfahne, indem wir in die Mitte der Leiste einen zu der längsten
Seite parallelen Schnitt sägten (mit exakt der gleichen Breite wie das Sperrholz) In den Spalt
setzten wir das Sperrholz und nagelten es fest. Wir setzten die Steuerfahne auf den Dynamo
und schnürten um ihn und um die Steuerfahne zwei Schellen.
Problem: Als wir das Windrad draußen aufstellten, bemerkten wir schnell, dass der Repeller an
einigen Stellen der Leiste schrammte und sogar an manchen Stellen hängen blieb. Daraufhin
sägten wir die störenden Stellen ab, was jedoch trotzdem nicht weiter half. Deshalb
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verlängerten wir die Dynamohalterung und führten erfolgreiche Testversuche durch. So hatten
wir wiederum ein Problem gemeistert.
Auch das Einhalten der Schutzmaßnahmen war uns wichtig
6.
Schließlich benötigten wir, um das Windrad zum Stehen zu bringen eine passende Halterung.
Dazu schweißten wir aus zwei 50cm langen, 6cm breiten und 5mm tiefen Eisenstücken ein
Kreuz, auf das wir dann ein quaderförmiges, hohles Eisenstück schweißten. Nach einem
Testversuch stellten wir fest, dass das Windrad perfekt hineinpasste.
Das Windrad bei der Endmontage
7. Zuletzt schlossen wir die Kabel an den Plus- und Minuspol an. Zum Testversuch, um ein
Lämpchen zum Leuchten zu bringen, hielten wir die beiden Kabel an die jeweiligen Pole.
Probleme: 1. Die Suche nach einer geeigneten Lampe stellte sich als schwierig heraus, aber nach
einiger Zeit fanden wir eine passende Lampe.
2. Beim Anschließen und Testen der Lampe bemerkten wir ein starkes Flimmern dieser. Die
Ursache war der Wechselstrom, den der Dynamo erzeugte. Aus diesem Grund schlossen wir
einen Wechselstromrichter an die Kabel an.
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Trotz vieler Probleme haben wir, die engagierte und interessierte Gruppe des Mathe-PhysikPluskurses, es geschafft, ganz alleine ein funktionsfähiges Windrad zu gestalten.
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