VAWT mit verstellbaren Flügeln

International Deutsch
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Hallo liebes Forum,

Ich bin neu hier und habe vor, mit einem riesen Projekt in die Welt der Microcontroller zu starten :wink:
Zu aller erst stellt sich mir die Frage der Machbarkeit, folgendes soll realisiert werden:

Ein Vertikal Windrad mit verstellbaren Flügeln.
Dazu, so der Plan, möchte ich an dem Windrad Schrittmotoren anbringen, die über einen Drehgeber (Potentiometer o.ä.) im Zentrum des Windrades (greift Drehung des Turms ab), die Position der Flügel während der Umdrehung des ganzen Turms anpassen.

ZUSATZ: Ein weiterer Drehgeber an einer Windfahne, gibt einen Wert an den Arduino weiter welcher zum Wert des Drehgebers hinzugefügt oder abgezogen wird.
Falls dies überhaupt nicht möglich sein sollte kommt der komplette Turm auf eine "Platform mit Windfahne".

Bei der ganzen Theorie hier kann die mechanische Machbarkeit erst einmal vernachlässigt werden. Es geht mir rein um die Vernetzung der Komponenten und das Programm um alles zu realisieren.

In der Theorie soll ein Arduino während die Position des Drehgebers sich ändert, den drei Schrittmotoren eine bestimmte Position geben. BEISPIEL mit erfundenen Werten: Drehgeber mit 20 möglichen Stellungen

Ohne Wind-Drehgeber

  • Drehgeber Stellung 1 -> Schrittmotor (SM1) 10 steps; SM2 10 steps; SM3 10 steps.
  • Drehgeber Stellung 2 -> Schrittmotor (SM1) 5 steps; SM2 10 steps; SM3 8 steps.
  • usw. mit verschiedenen Werten.

Mit Wind-Drehgeber

  • (Wind Drehgeber Stellung 0) Drehgeber Stellung 1 -> Schrittmotor (SM1) 10 steps + (0 steps); SM2 10 steps + (0 steps); SM3 10 steps + (0 steps).
  • (Wind Drehgeber Stellung 2) Drehgeber Stellung 2 -> Schrittmotor (SM1) 10 steps + (7 steps); SM2 10 steps + (7 steps); SM3 10 steps + (7 steps).
  • usw. mit verschiedenen Werten.

Wobei die Startposition der Blätter natürlich Unterschiedlich ist.

Da das ganze zu schulischen Versuchszwecken umgesetzt wird, ist es auch "egal" dass ein VAWT normalerweise einige hundert Umdrehungen pro Minute macht. Hier würden die Schrittmotoren wahrscheinlich nicht nachkommen mit regulieren.
Das ganze wird im Endeffekt nur in Zeitlupe vorgeführt und ist Grundlage für weitere Projekte.

Nun die Frage an euch, ist so etwas mit einem Arduino realisierbar ?
Im Anhang eine kleine Skizze wo an diesem Windrad was hin soll.

Viele der Teile die man, wie ich denke, für dieses Projekt verwenden kann besitze ich schon.

  • Schrittmotoren mit Driver
  • Netzteil 8-15V für Schrittmotoren und Netzteil für Arduino
  • Arduino Nano
  • Arduino Uno
  • CNC Shield für Nano und Uno
  • Potentiometer
  • Kabel und Breadboard etc.

Weitere Infos folgen, aber zu erst würde mich eure Meinung zur Machbarkeit interessieren :slight_smile:

VAWT Skizze.jpg
VAWT Skizze.jpg1080×1953 136 KB

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Hi

In wie fern würde man die Flügel einzeln verstellen wollen?
In wie fern ist diese Verstellung von der Position der Windrad abhängig? Das 'normale' senkrechte Windrad hat feste Flügel (alle gleich ausgerichtet) und dreht sich trotzdem.
Wenn eh Alle immer gleich verstellt werden, würde ein Stepper reichen.
Die Drehachse, um Die der Stepper drehen soll - was für ein Drehmoment würde dort anliegen?
Wenn die Verdrehung eine maximale Drehgeschwindigkeit ergeben soll - also großer Windwiderstand bei langsamer Drehgeschwindigkeit bis zu Null-Windwiderstand bei Soll-Drehzahl, würde man die Verstellung besser per Fliehkraft erfolgen lassen - keine Logik, Die abschmieren kann - tausende Dampfmaschinen wurden so geregelt.

Sonst:
Da Das nur ein Anschauungs-Modell wird und keineswegs die Serienreife aufweisen muß, außerdem nur in 'Schrittgeschwindigkeit' laufen soll (man will ja was sehen):
ALLES in das Windrad zentral eingebaut, Akku, Arduino, Treiber, was man halt so braucht.
So hast Du auch kein Problem damit, die Signale an die mit dem Windrad drehenden Stepper zu bekommen, da der Arduino selber mitdreht.
Befehligen per IR, BT oder normalem Funk-Modul von Außen, da wohl kaum so viel Drehgeschwindigkeit erreicht werden kann, daß Da was 'von Selber' passiert und man Das dann auch noch sehen könnte.

MfG

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ApeXPredator:
Ich bin neu hier und habe vor, mit einem riesen Projekt in die Welt der Microcontroller zu starten :wink:

Dann würde ich Dir empfehlen, mit einem Starterset (z.B. von Funduino) erst mal ein Gefühl für diese Welt zu bekommen und Dir Grundlagenkenntnisse anzueignen. Das erspart Dir den sonst garantierten Frust.

Gruß Tommy

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postmaster-ino:
In wie fern würde man die Flügel einzeln verstellen wollen?
In wie fern ist diese Verstellung von der Position der Windrad abhängig? Das 'normale' senkrechte Windrad hat feste Flügel (alle gleich ausgerichtet) und dreht sich trotzdem.
...

Über Sinn und Unsinn geht es hier zum Glück nicht, ansonsten bin ich ganz bei dir. Grundsätzlich geht es nur darum zu zeigen was Steuerungstechnisch möglich ist mit günstigen Komponenten.

Die Übergabe des Signals stellt kein Problem dar, dafür wird ein Schleifring verwendet werden.

Aber um die Frage zu Beantworten WIE das ganze aussehen könte:

Ungefähr so sollte das ganze aussehen + Die Verstellung dieses Flügelzyklus in die Richtung des Windes -> Windfahnen Drehgeber.

Besonders zum Part der Windrichtung finde ich im Netz nichts, da zwei Werte fast gleichzeitig an den Schrittmotor weitergegeben werden sollen. Gibt es eine Möglichkeit bei jeder Übergabe eines Wertes an den Motor, den Wert DrehgeberWind mit dem Wert DrehgeberAchse zu verrechnen?

Ein Beispiel:

DrehgeberWind sagt 2 steps nach links und DrehgeberAchse 4 nach rechts -> Der Schrittmotor macht 2 steps nach rechts.

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wenn ich das zusammenfassen darf:

Nun die Frage an euch, ist so etwas mit einem Arduino realisierbar ?

ja.
I
Jedoch:
Ich würde die

  • Flügelstellung nicht in der rotierenden Masse beeinflussen wollen
  • Flügelstellung mit Servos statt Stepper steuern (wegen der eindeutigen Position die man einem Servo geben kann), wobei die Servos/Antriebe fest und nur über entsprechendes Gestänge an die Flügel übertragen werden.
  • die Windgeschwindigkeit vom Windrad unabhängig mit einem Anenometer messen
  • die resultierende Drehgeschwindigkeit des Windrades messen

generell: keine vertikales Windrad bauen :wink:

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Relativ kleine Windräder erzeugen beträchtliche Leistungen. 1m Durchmesser (propeller) erreicht bereits einige kW.
Die Blattverstellung braucht beträchtige Kräfte die ein Schrittmotor nicht aufbringen kann.

Grüße Uwe

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noiasca:
generell: keine vertikales Windrad bauen :wink:

Aber mein betreuender Lehrer findet die doch so schön :smiley:
Im Endeffekt würde sich das Windrad bei der Vorführung die meiste zeit nicht drehen. Ich würde einfach etwas an der Windfahne und am Turm drehen und alle staunen.
Wie gesagt das Teil wird in der Praxis nicht zum Einsatz kommen sondern in einem Steuerungstechnik Raum verstauben :wink:

Bedeutet das dass servos auf einen Absolutwert zugestellt werden können ? Das würde die Sache mMn. ziemlich vereinfachen. Und ist es auch möglich dem Servo zu sagen fahre auf 180° aber wenn die Windfahne eine Richtungsänderung wahrnimmt werden da einfach z.B. 20° plus oder minus drauf gerechnet?

So ein Servo MASTER DS2312 MG: Servo Motor, DS2312 bei reichelt elektronik
sollte ja reichen um das ganze zu veranschaulichen.

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der Witz eines Vertikalen Windrades ist ja gerade dass die Windrichtung keine Rolle Spielt, warum willst du da jetzt mit einer Windfahne die Windrichtung ermitteln?

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uwefed:
Relativ kleine Windräder erzeugen beträchtliche Leistungen. 1m Durchmesser (propeller) erreicht bereits einige kW.
Die Blattverstellung braucht beträchtige Kräfte die ein Schrittmotor nicht aufbringen kann.

Grüße Uwe

Danke Uwe, ja das ganze dient mehr der Veranschaulichung und soll einfach die Vorzüge von Mikrocontrollern auch an solch ungewöhnlichen Dingen aufzeigen.

Das Modell wird 300-500 mm hoch sein und ca. 200mm-250mm im Ø messen.
mfg

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Hi

Dazu brauchst Du aber ebenso die Position des Windrades selber - wenn der Stepper 400 Schritte pro Umdrehung macht, wären 400 Einheiten pro Flügelumdrehung des Rotor meine Wahl.
Hier könntest Du die beiden Werte (Windrad ist + Stepper soll) einfach subtrahieren und der Stepper 'steht still'.
Servo dürfte draußen sein, da das Windrad mehr als 1 ... 2 Umdrehungen machen können soll - und Da ist das Servo irgendwann zu Ende - zumindest Das 'für billig Geld'.
Der Stepper wird schnell an Seine Drehzahl-Grenzen kommen - besonders, wenn Er den Flügel auch noch mit Kraft auf Position halten soll.
Für ein 'So schaut's dann Mal aus'-Modell soll Das aber egal sein.
Du brauchst also wohl

  • 2 Encoder in der Auflösung der Stepper (gleiche Auflösung unnötig, macht aber das 'Wie' einfacher erkennbar) - für Windfahne und Rotor
  • Pro Flügel einen Stepper
  • einen Schleifring, Der die Drehzahl aushält und entsprechend viele Pole bietet, der Stepper-Strom muß Da auch durch passen.

Somit sollte das Projekt durchaus realisierbar sein - wenn ich den Sinn dahinter zwar nicht verstehe (das Video habe ich recht schnell weggeklickt, mag zwar Leute geben, Die Das verstehen - ich gehöre Da nicht zu - und ohne Ton sind die Erklärungen auch nicht besser).

Die Flügelverstellung wird also nur gemacht, 'weil Es halt geht' - nicht, weil Da sogar ein Sinn hinter wäre? So langsam macht Schule wieder Sinn ... äh, ne.

MfG

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postmaster-ino:
Hi

Dazu brauchst Du aber ebenso die Position des Windrades selber - wenn der Stepper 400 Schritte pro Umdrehung macht, wären 400 Einheiten pro Flügelumdrehung des Rotor meine Wahl.
Hier könntest Du die beiden Werte (Windrad ist + Stepper soll) einfach subtrahieren und der Stepper 'steht still'.
Servo dürfte draußen sein, da das Windrad mehr als 1 ... 2 Umdrehungen machen können soll - und Da ist das Servo irgendwann zu Ende - zumindest Das 'für billig Geld'.
Der Stepper wird schnell an Seine Drehzahl-Grenzen kommen - besonders, wenn Er den Flügel auch noch mit Kraft auf Position halten soll.
Für ein 'So schaut's dann Mal aus'-Modell soll Das aber egal sein.
Du brauchst also wohl

  • 2 Encoder in der Auflösung der Stepper (gleiche Auflösung unnötig, macht aber das 'Wie' einfacher erkennbar) - für Windfahne und Rotor
  • Pro Flügel einen Stepper
  • einen Schleifring, Der die Drehzahl aushält und entsprechend viele Pole bietet, der Stepper-Strom muß Da auch durch passen.

Die Flügelverstellung wird also nur gemacht, 'weil Es halt geht' - nicht, weil Da sogar ein Sinn hinter wäre? So langsam macht Schule wieder Sinn ... äh, ne.

Ja das beschreibt die Sache ganz gut, und so ist es eben mit BWL Lehrern und Technik, macht keinen Sinn aber Spaß an der Sache kann ich ja trotzdem haben.
Schleifring, Potentiometer, Stepper und Grundlegendes Zubehör etc. habe ich alles schon. Allerdings habe ich bisher nur einfachste Projekt umgesetzt und war mir unsicher ob selbst das "weil es halt geht" überhaupt geht.

Nichtsdestotrotz hört es sich schon vielversprechend an dass solche Sketche machbar sind !

Dann mach ich mich mal an die Programmierung und die Doumentation des ganzen.

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Moin,

das ist zwar hier nicht die Fragestellung, aber was mir dazu einfällt ist: Die beste Steuerung ist die die es nicht gibt, die kostet nämlich nix und kann nicht kaputt gehen.

Ich würde die Aufgabenstellung komplett mechanisch lösen, das funktioniert auch dann wenn kein Strom für die Steuerung da ist, und außerdem glaube ich, dass das Risiko und die Ausfallwahrscheinlichkeit geringer ist.

Stellt euch mal vor was das für eine Unwucht gibt, wenn ein Steuerelement was falsches macht.

Ich würde eine Windfahne nehmen um die Windrichtung zu bestimmen und eine Art Exzenter, der von der Windrichtung gedreht wird. Dann noch drei Gestänge die die Pitchverstellung der Blätter machen. Diese sind mit einem Dünnringlager auf dem Exzenter drauf.

Lieben Gruß,
Chris

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Das stimmt, allerdings gibt es das schon massenweise. Wenn das Windrad ernsthaft zum Einsatz kommen sollte, wäre eine Lösung mit Exzenter oder sogar Taumelscheibe gewählt worden. Es ist allen Beteiligten bewusst dass es rein um das vorführen des machbaren geht :wink:

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Echt? Cool! Und dabei hab ich von sowas überhaupt keine Ahnung :slight_smile:

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themanfrommoon:
Echt? Cool! Und dabei hab ich von sowas überhaupt keine Ahnung :slight_smile:

:smiley: ja eine Exzenterscheibe mit Windfahne und Gestänge an die Flügel ist tatsächlich der gängigste Weg.

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Das sollte doch noch einfacher zu lösen sein trotz elektronischer Regelung. Die 4 Rotoren über kleine Zahnriemen mit der Achse verbinden so dass sie immer an der selben Stelle die gleiche Ausrichtung haben. Und dann mit einem einzelnen Antrieb das ganze Windrad samt Mast in den Wind drehen und somit auch die Geschwindigkeit regeln. Dazu braucht es dann nur eine Windfahne mit Drehgeber und ein Schrittmotor.

Gruß