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Savoniusrotor mit Maximum Power Point Tracker

1. Team Savonius 142 Diplomarbeit MPPT mit 5 Anderungen pro Sekunde Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius S LZ e 3 5 2 e SS 8 E Ss E9 8 55 Gs Ss se 28555 Dar 2 o oS 0 CN E A 2 oo SS ol o3 amp 2 82 835 83 88 2 33 2865 36 Q e zog 02 a Ki 3 S SS 2 d S 57 So 70 1 min 2 20 m s 6 0 m s 0 37 0 01A 24 5 V 0 25 W 93 70 W 0 26 100 1 min 3 14 m s 7 0m s 0 45 0 30A 24 5 V 735W 148 79 W 4 94 66 1 min 2 07 m s 6 0 m s 0 35 0 13A 24 6V 3 20 W 93 70 W 3 41 180 1 min 5 65 m s 9 8m s 0 58 0 70A 24 7V 17 29W 408 29 W 4 23 264 1 min 8 29 m s 10 0 m s 0 83 1 17A 25 0V 2925W 433 80 W 6 74 296 1 min 9 30 m s 9 6 m s 0 97 1 16 A 25 0 V 29 00W 383 80 W 7 56 61 1 min 1 92 m s 7 0m s 0 27 0 09A 24 5 V 2 21W 148 79 W 1 48 72 1 min 2 26 m s 7 2m s 0 31 0 14A 24 5V 3 43W 161 91 W 2 12 108 1 min 3 39 m s 86 m s 0 39 0 24A 24 7V 5 93 WI 275 92 W 2 15 56 1 min 1 76 m s 6 8m s 0 26 0 01A 24 7V 0 25W 136 40 W 0 18 70 1 min 2 20 m s 7 0m s 0 31 0 13A 24 7V 3 21W 148 79 W 2 16 70 1 min 2 20 m s 7 0m s 0 31 0 12A 24 7V 2 96W 148 79 W 1 99 80 1 min 2 51 m s 8 0 m s 0 31 0 15A 24 7 V 3 71 W 222 11 W 1 67 121 1 min 3 80 m s 9 0m s 0 42 0 49A 24 9V 1220W 316 24 W 3 86 204 1 min 6 41 m s 92m s 0 70 0 78A 25 3V 19 73W
2. Ee Voltage EMISE KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK limit_voltage NOP compares output voltage and MOVF Uout W the allowed maximum voltage SUBWF peak_voltage W W peak_voltage Uout BEESS SEANS if Uout is bigger skip next GOTO too_high_v i GOTO pastaen S too_high_v if output Voltage is too high NOP i MOVLW 0x00 the duty cycle of the PWM is MOVWF CCERIINE shut down and the BSF PORTB RB4 break resistor is activated GOTO main EE if the output voltage is ok BCF PORTB RB4 the breakresistor is deactivated NOP RETURN Der Maximalwert peak_voltage f r den Vergleich der Spannung ist in der Initialisierung definiert und kann dort einfach ge ndert werden So ist es leicht Team Savonius 91 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl m glich mit dem Programm nicht nur 24 V sondern z B auch 12 V Akkumulatoren zu laden Die passenden Werte der AD Wandlung f r bestimmte Grenzwerte lassen sich folgenderma en berechnen 30 45V 255 27 6V 2 E 27 6V 231 0xE6 H 13 8V 13 8V 116 gt 0x73 H limit_current limit_current dient zur berwachung des Eingangsstromes Dieser darf ebenfalls einen eingestellten Maximalwert nicht berschreiten Die Subroutine l uft hnlich der limit_voltage Routine ab Nur wird in dieser das Tastverh ltnis der PWM nicht komplett auf Null gesetzt sondern nur um eins reduziert und der Bremswiderstand wird nicht verw
3. Windgesch Rotor Rotor Windgesch hinter mech Drehfrequ Drehzahl vor Rotor Rotor Leistung f n Vi V2 P Ohne Leitschaufeln ohne Silikon 2 95 Hz 177 U min 3 8 m s 1 6 m s 2 61 W Ohne Leitschaufeln mit Silikon 3 14 Hz 188 U min 3 8 m s 1 5 m s 2 63 W 4 00 Hz 240 U min 3 9 m s 1 1 m s 2 85 W Leitschaufeln 0 1 14 Hz 68 U min 2 4 m s 1 7 m s 0 48 W Leitschaufeln 15 0 89 Hz 53 U min 2 4 m s 2 1 m s 0 25 W Leitschaufeln 30 2 60 Hz 156 U min 2 8 m s 1 6 m s 0 95 W 4 00 Hz 240 U min 4 0 m s 2 3 m s 2 75W Leitschaufeln 45 2 27 Hz 136 U min 3 5 m s 2 5 m s 1 46 W Leitschaufeln 60 2 63 Hz 158 U min 4 5 m s 3 5 m s 2 60 W Tab 2 Mess und Rechenergebnisse am Modell F r die Berechnungen waren folgende Formeln notwendig n f 60 1 Zur PR IN Aus diesen Tests ging hervor dass es nicht n tig war bei der gro en Anlage Windleitschaufeln mit einzuplanen Der einzige Wert f r die Leistung der dem ohne Windleitschaufeln entspricht ist jener bei einer 30 Neigung der Schaufeln Wie bef rchtet nehmen die Windleitschaufeln dem Savoniusrotor die Windunabh ngigkeit und daher l uft der Rotor bei dieser Einstellung der Schaufeln nicht selbstst ndig an Auch bei 15 und 60 ben tigt der Rotor eine Start hilfe Durch die Leitschaufeln wird das mitrotierende Feld abgebremst beziehungsweise gest rt daher verliert der Rotor an Leistung Team Savonius 23 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Deshalb wurden d
4. MPPT mit 12 nderungen pro Sek 14 00 12 00 10 00 8 00 6 00 4 00 2 00 0 00 0 40 0 50 0 60 0 70 0 80 0 90 1 00 1 10 Schnelllaufzahl A MPT12 s Polynonisch MPT 12 s Abb 70 Kennlinie mit MPPT 12 Anderungen pro Sekunde Die Messwerte dieses Diagramms zeigen eine deutliche Ballung im oberen Bereich der Kennlinie mit Werten von bis zu 12 Wirkungsgrad auf Durch die Uberlagerung der Messwerte von den Tests mit dem Leistungspotentiometer wird die Wirkung des MPPTs deutlich Der Regler sucht den Maximum Power Point und lasst dem Rotor auch Zeit sich auf seine Lastanderungen einzustellen und wandert so zur Spitze der Kennlinie Team Savonius 106 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Durch eine Uberlagerung der Kennlinie welche mit dem Potentiometer aufgezeichnet wurde und der MPPT Kennlinie l sst sich deutlich die Funktion des Maximum Power Point Trackers beweisen siehe Abbildung 71 Gesamtwirkungsgrad 14 00 12 00 10 00 8 00 P 6 00 4 4 00 2 00 4 0 00 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 Schnelllaufzahl A el Wirkungsgrad Savonius 12 sek Polynomisch el Wirkungsgrad Savonius Polynonisch 12 sek Abb 71 berlagerte Kennlinie MPPT und Potentiometer Mit dem Widerstand wurden auch viele Werte im unteren Bereich der Kurve aufgenommen der MPPT l sst dies nicht zu Er re
5. 4 3a di a m nen U 24EI SEI gal gael fa _ in Xm a BE Pan Hai Abb 30 Belastungsfall der Welle q a gt 4 1 3a re PR a 447 JN 7 1200 mm q 0 3726 em mm 4 I T 4 20 mm il 7 I 125663 71mm Das Elastizit tsmodul von X5CrNi18 10 betr gt 210000 N mm vgl RMTB2001 S 1 0 3726 Ns 1200mm 3 4 350mm 3 1200mm f mm N mm 24 210000 125663 7 1mm f 5 083mm Team Savonius 41 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Bei 30 m s Windgeschwindigkeit verformt sich die Welle am oberen Ende um ungefahr 5 mm ga L a D E I N 0 3726 1200mm 350mm 1200mm s 6 210000 N 125663 7Imm mm a 0 00525 tana 10 107 vgl RMTB2001 S 108 tana_ 2 tan amp zul 10 1074 gt 9 17 10 Die Verformung ist somit zulassig Gestell SchweiBnahtberechnung Bei Querschnitten mit Dicken t23mm m ssen folgende Bedingungen f r die SchweiBnahtdicke a eingehalten werden gilt nur f r Kehln hte 2mm lt a lt 0 7 t az Jt 0 5mm vgl RoIM 2001 Glg 6 16 t entspricht der Wandst rke der Formrohre und ist somit 3 mm 2mm lt a lt 0 7 3mm 2mm lt a lt 2 lmm a 2 43mm 0 5mm a 2 1 232mm a 2mm Die L nge der SchweiBnahte betr gt 50 mm Um einen Festigkeitsnachweis zu erbringen wird ein hoch belasteter Tr ger gew hlt Die Schwei n hte der Quertr ger des Axiallagers sollen unter
6. 8 Verzeichnisse 8 1 Quellenverzeichnis GROT1978 HAUE2003 RMME2001 RMTB2001 SCHA1987 SCHM2003 SCHU2005 SPRU2000 WIKI2006 Team Savonius Henry Grotmaack Messung der technischen Daten von Vertikalachsen Windrotoren Marz 1978 Erich Hau Windkraftanlagen Grundlagen Technik Einsatz Wirtschaftlichkeit 3 Auflage 2003 Roloff Matek Maschinenelemente Normung Berechnung Gestaltung 15 Auflage 2001 Roloff Matek Maschinenelemente Tabellen 15 Auflage 2001 Winfried Schatter Windkonverter Bauarten Wirkungsgrade Auslegung 1987 Heinz Schmidt Walter Grundlegendes zu Schaltnetzteile 2003 http www user fh stralsund de emasch 1024x768 Dokumentenframe Kompendium Schaltnetzteile Frame_Schaltnetzteile htm Heinz Schulz Der Savonius Rotor 8 Auflage 2005 J rg Bredendiek Schaltregler Grundlagen 2003 http www sprut de electronic switch schalt html Wikipedia die freie Enzyklop die 2006 http de wikipedia org wiki Solarpanel 115 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 8 2 Abbildungsverzeichnis Abb 1 Str mungsverh ltnisse beim Entzug von mechanischer Leistung 5 Quelle Hau2003 S 80 Bild 4 1 Abb 2 Verlauf des Leistungsbeiwertes vor und hinter dem Energiewandler 6 Quelle Hau2003 S 82 Bild 4 2 Abb 3 Wind bl st auf die projizierte Fl che A des Rotors sssonooononneoeneeeee000e 7 Abb 4 Prinzip des Widerstandl ufers un 8 Abb 5
7. 4 08 m s 7 0m s 0 58 12 5V 0 33 A 4 13W 148 79 W 2 77 210 1 min 6 60 m s 9 0m s 0 73 185V 0 46 A 8 51 W 316 24 W 2 69 170 1 min 5 34 m s 8 0 m s 0 67 13 4 V 0 32 A 4 29W 222 11 W 1 93 110 1 min 3 46 m s 6 3m s 0 55 9 8 V 0 27A 2 65 W 108 47 W 2 44 370 1 min 11 62 m s 9 1 m s 1 28 3 3 V 0 88 A 2 90 W 326 90 W 0 89 370 1 min 11 62 m s 10 5 m s 1 11 3 5V 0 85 A 2 98 W 502 18W 0 59 322 1 min 10 12 m s 10 6 m s 0 95 28 5 V 0 75A 21 38W 516 66 W 4 14 322 1 min 10 12 m s 9 3 m s 1 09 28 5 V 0 72A 20 52 W 348 93W 5 88 271 1 min 8 51 m s 8 5 m s 1 00 24 6 V 0 63A 15 50 W 266 41 W 5 82 312 1 min 9 80 m s 10 0 m s 0 98 28 6 V 0 71A 20 31 W 433 80 W 4 68 327 1 min 10 27 m s 9 8 m s 1 05 28 8 V 0 73A 21 02W 408 29W 5 15 316 1 min 9 93 m s 9 0m s 1 10 28 1V 0 71A 19 95 W 316 24W 6 31 255 1 min 8 01 m s 7 8m s 1 03 24 1V 0 60A 14 46 W 205 86 W 7 02 258 1 min 8 11 m s 8 1m s 1 00 23 2 V 0 59 A 13 69 W 230 54W 5 94 50 1 min 1 57 m s 6 5 m s 0 24 4 0V 0 10A 0 40 W 119 13W 0 34 195 1 min 6 13 m s 83 m s 0 74 16 9V 0 43 A 7 27 W 248 04 W 2 93 205 1 min 6 44 m s 7 7 m s 0 84 178V 0 45 A 8 01 W 198 04 W 4 04 190 1 min 5 97 m s 7 4 m s 0 81 16 7V 0 42 A 7 01W 175 79W 3 99 156 1 min 4 90 m s 7 2m s 0 68 13 7V 0 35 A 4 80W 161 91 W 2 96 177 1 min 5
8. CCPRIL main 230 CCPRIL main Team Savonius G G read Carrybit Overflow 1 goto over load subroutine write original ADC result back to Wreg 1 write Wreg to PWM Duty cycle Write Maximum of 230 90 G G write maximum of 230 to Wreg write Wreg to PWM Duty cycle 219 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Maximum Power Point Tracker Programmlisting PERRERA AERA ARE BRERA IRL EA BRA RIK DRIER REARS K BNR RRR IR RIECK BBR BRR BRAK G S Filename e Date i File Version i Author S Company 16F88_MPPT_2 12 asm 28 April 2006 2 4 Klimpfinger Koloman Team Savonius Grohs Daniel PEO Geo Het a a a RA Dh En ete eS near N Ba Wana A PA EE list include lt p16F88 inc gt processor specific variable definitions p 16f88 errorlevel 302 VARIABLE DEFINITIONS Carry EQU e Zero EQU zZ RB1 EQU 0x01 RB4 EQU 0x04 Same EQU ccp_flag EQU 0 dcd_flag EQU usart_flag EQU 2 channel EQU 0x21 mikro EQU 0x22 mikro_2 EQU 0x23 marker EQU 0x24 CCP_temp EQU 0x25 toggler EQU 0x26 marker_usart EQU 0x28 Uin EQU 0x30 Iin EQU 0x31 Vout EQU 0x32 Tout EQU 0x33 Team Savonius list di rectiv to defin suppress message 302 from list file e used for Analog channel select SE processor fine to transmit
9. Schalter Abb 49 Energiebetrachtung Daran l sst sich auch leicht erkennen dass beide Ladungsmengen gleich bleiben m ssen Qein Qaus daraus ergibt sich I f U n ta U ou U n bop U oa U n off Im kontinuierlichen Betrieb l sst sich aus dem Induktionsgesetz eine wichtige Formel f r die Differenz des Spulenstroms ableiten die zur Dimensionierung der Spule eines Aufw rtswandlers n tig ist di gt 1l u L gt Ai u At dt L 1 gt At HAL Ur Yat fiir bon Log A Un U Us f 1 Un 1 De _ Kn AT U ou U U ou f Team Savonius 64 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 5 2 2 Dimensionierung Zur Dimensionierung des Step Up Converters wird folgender Schaltplan verwendet L D Steuerleitung MosFET Abb 50 Step Up Converter Schaltung Da die Spule als Energiespeicher dient und nicht im diskontinuierlichen Betrieb gearbeitet werden soll muss diese gro genug sein um am Ausgang gen gend Energie zu Verf gung zu stellen Aus den Formeln des Step Up Converters l sst sich folgende Gleichung zur Berechnung der Spule ableiten e we un ge Die Kondensatoren am Ein und Ausgang des Step Up Converters dienen der Gl ttung des Signals Der Ausgangskondensator wird w hrend der Zeit tor geladen und muss w hrend der Zeit ton den Ausgang mit Strom versorgen Der Strom flie t also zweimal durch ihn daher wirkt sich auch sein Equivalent Series Resistance ESR st rker a
10. bertragen werden der dadurch seine Ein und Ausschaltzeit ver ndert und den Team Savonius 77 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Step Up Converter regelt Als Transistor wird ein MOSFET vom Typ BUZ102 der Firma Siemens eingesetzt Dieser Bauteil ist f r Spannungen bis 50 V und einen Maximalstrom von 30 A ausgelegt Der BUZ102 ben tigt zur Ansteuerung eine Spannung ber 5 V weshalb man einen Treiber einsetzen muss Als Treiber wird der TC4427A von Microchip verwendet und verst rkt das PWM Ausgangssignal auf die erforderliche Ansteuerspannung Alle unbedingt notwendigen Steuer und Messleitungen sind nun festgelegt Um die Steuerung des Aufw rtswandlers aber wirklich realisieren zu k nnen m ssen weitere Komponenten in die bisherige Schaltung eingebaut werden 5 3 5 RS232 DS275 Alle weiteren Teile der kompletten Schaltung sind zur Kommunikation und direkten Programmierung des PIC16F88 notwendig Diese Bauteile und Schnittstellen sind also nicht mehr unbedingt f r die korrekte Steuerung des Aufw rtswandlers n tig erleichtern aber den Umgang und die Fehlersuche enorm Die erste Komponente der kompletten Schaltung ist die serielle Schnittstelle die eine Daten bertragung der Messwerte vom PIC zum PC erm glicht Zwei Pins des PIC16F88 sind die RX RB2 und die TX Leitung RB5 sie sind Uber einen Transceiver Baustein von Dallas Semiconductor mit der Schnittstelle verbunden Die RS232 Schnittstelle ben tigt Spannung
11. e Team Savonius 9 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 3 Modell 3 1 Zielsetzung Um den gr tm glichen Wirkungsgrad f r den mechanischen Aufbau des Savoniusrotors zu erreichen ergab sich die Notwendigkeit zun chst ein Modell zu bauen Dieses musste in keinem Ma stab zur gro en Anlage stehen sollte aber wichtige Eigenschaften wie einen passenden Versatz trotzdem erf llen Wie das Original wurde auch das Modell zweistufig zu konzipiert Der Grundgedanke unseres Modells war die optimale Stellung der Windleitschaufeln herauszufinden und den Rotor zu optimieren Au erdem musste sich das Projektteam w hrend der Entwicklung des Modells intensiv mit Fachliteratur und Problematik des Savoniusrotors befassen Dadurch waren wichtige Erkenntnisse f r die Entwicklung der gro en stromerzeugenden Anlage in Bezug auf Lagerung Rotoren allgemeinen Aufbau Gestell und Dimensionierung zu erwarten 3 2 Konstruktion 3 2 1 Gestell Das Gestell stellt eine solide Basis f r den Savoniusrotor dar und bringt den Rotor in eine etwas erh hte Position da der Wind am Boden durch Reibung und Hindernisse gebremst wird Trotzdem ist es preisg nstig leicht zerlegbar und somit transportabel da es aus g nstigem Staffelholz aus dem Baumarkt gefertigt ist Um es nicht nieder spannen zu m ssen steht das Modell auf zwei 1000 mm langen F en An Problemstellen wie der Verbindung von Beinen und F en wurden Verstrebungen
12. select Bank 0 select Bank 0 saves AD result to working register 222 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl eh RACK Voltage Limit KKKKKKKKKK KK KK KK KK kk kk kk kk kk kk kk kk kk limit_voltage NOP compares the output voltage and the allowed maximum voltage BCF STATUS C clears the Carry Bit MOVF Uout W SUBWF peak_voltage W W peak_voltage Uout BTFSS STATUS C if Uout is bigger skip next op GOTO too_high_v GOTO past_schon_v too_high_v if output Voltage is too high NOP i MOVLW 0x00 the duty cycle of the PWM is shut down MOVWF CCPRIL BSF PORTB RB4 and the break resistor is activated GOTO main past_schon_v 7if the output voltage is ok BCF PORTB RB4 the break resistor is deactivated NOP RETURN Fh Oe OR current Limit KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK limit_current NOP BCF STATUS C clears the Carry Bit MOVF Iin W SUBWF peak_current W w peak_current Iin BTFSS STATUS C if Iin is bigger skip next op GOTO too_high_c GOTO past_schon_c too_high_c i input current is too high NOP it had to be decreased BCF STATUS C clears the Carry Bit MOVEW CCPRIL Team Savonius 223 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MOVWE MOVEW SUBLW BTFSC GOTO CCP_temp CCP_temp 2 STATUS C wweiter CCPRII CCPRI past_schon_c past_schon_c NOP RET
13. 8 3 m s 0 47 0 31 A 25 0V 7 5W 248 04 W 3 12 149 1 min 4 68 m s 82m s 0 57 0 54A 25 3V 13 66W 239 18 W 5 71 e Team Savonius 141 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 165 1 min 5 18 m s 7 5 m s 0 69 041A 252V 1033W 183 01 W 5 65 157 1 min 4 93 m s 6 9m s 0 71 044A 25 3V 11 13W 142 51 W 7 81 111 1 min 3 49 m s 81m s 0 43 0 36A 25 0V 9 00W 230 54 W 3 90 173 1 min 5 43 m s 7 8m s 0 70 0 61A 25 3V 15 43W 205 86 W 7 50 198 1 min 6 22 m s 7 5m s 0 83 0 84A 25 3V 21 25W 183 01 W 11 61 220 1 min 6 91 m s 9 0m s 0 77 0 71A 25 3V 17 96 W 316 24 W 5 68 292 1 min 9 17 mis 9 3m s 0 99 1 07A 26 4V 28 25W 348 93 W 8 10 222 1 min 6 97 mis 7 6m s 0 92 0 73A 256V 18 69W 190 43 W 9 81 192 1 min 6 03m s 80 m s 0 75 0 50A 25 5V 12 75W 222 11W 5 74 217 1 min 6 82 mis 7 5m s 0 91 0 18A 25 2V 454W 183 01 W 2 48 124 1 min 3 90 m s 85m s 0 46 0 60A 25 0V 15 00W 266 41 W 5 63 258 1 min 8 11 m s 9 5m s 0 85 0 56A 252V 14 11 W 371 93 W 3 79 190 1 min 5 97 m s 85m s 0 70 0 46A 254V 11 68 W 266 41 W 4 39 206 1 min 6 47 mis 82mis 0 79 0 34A 252V 857W 239 18 W 3 98 213 1 min 6 69 m s 8 0 m s 0 84 0 60A 25 6 V 15 36 W 222 11 W 6 92
14. Als Transistor wird wieder ein BUZ102 verwendet gt siehe Kapitel 5 2 2 Dimensionierung da dieser auch die hohen Spannungen und Str me unbeschadet aush lt Um den Transistor mittels PIC steuern zu k nnen wird der zweite Kanal des Treibers TC4427A gt siehe Kapitel 5 3 4 Transistorsteuerung verwendet Der Widerstand wird so dimensioniert dass m glichst viel Strom flie t und so die Belastung des Generators zu einer Bremsung f hrt Die Dimensionierung erfolgt am einfachsten mit Hilfe des ohm schen Gesetzes Lastaufnahme von U 30 V und Igrems 5 A I 5A Der gew hlte Bremswiderstand betr gt 6 8 Q Mit der folgenden Formel wird die auftretende Maximalleistung ermittelt P U I 30V 5A 150W Anhand der Rechenergebnisse wurde ein 200 W Leistungswiderstand mit dem Wert 6 8 Q ausgew hlt 5 3 3 Messung Die Spannungsmessung erfolgt mit Hilfe eines einfachen Spannungsteilers der so dimensioniert sein muss dass der messbare Spannungsbereich zwischen OV und Maximalspannung des Generators auf einen Bereich zwischen OV und maximal 5V Team Savonius 75 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl aufgeteilt wird Eine Anforderung an die PlC Steuerung ist allerdings sehr hohe Sparsamkeit um die Entladung des Akkus durch die Steuerung m glichst gering zu halten Aus diesem Grund ist der einfache Spannungsteiler nicht gut genug Die Schaltung darf nur kurze Zeit w hrend der Messung Strom verbrauchen weswegen man eine etwas auf
15. DECFSZ mikro_2 GOTO delay2 NOP NOP DECFSZ mikro GOTO delayl NOP RETURN Team Savonius sel sel ec Bank 0 ec Bank 0 221 Diplomarbeit Analog Digital Wandlung ADC BCF BCF MOVWF BCF RLF BCF RLF BCF RLF MOV LW ANDWF MOVE IORWF nop nop MOV LW CALL BCF BCF BSF ADC2 BCE BCE BTFSS GOTO GOTO ADC3 BCF BCF MOVE RETURN STATUS STATUS channel channel RPO RP1 STATUS Carry channel STATUS Carry channel STATUS Carry b 11000111 ADCONO 1 channel W ADCONO 1 10 delay_m STATUS STATUS KS RPO RP 1 ADCONO GO STATUS STATUS ADC3 ADC2 STATUS STATUS RPO RP 1 ADCONO GO RP 1 RPO ADRESH W Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Bed KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK sel sel ec Bank 0 ec Bank 0 juse c ne ne hannel register rotate on the right place to select the channel for the Analog Digital conversation clear channel select bits Select the channel with the prepared channel register wait acquisition time select Bank 0 select Bank 0 starts conversation select Bank 0 select Bank 0 wait for end of conversation
16. Lerch Redl Team Savonius 165 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 166 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 167 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 168 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 169 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 170 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 171 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 172 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 173 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang G Schaltplan amp Platinenlayout Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Lufterschaltplan GND 17 ADC_input GND PIC16F88 GND GND Abb 78 L fterschaltplan Bezeichnung Bauteil IC1 PIC16F88 IC2 MC 7805 CT NL GO310 G1 Diode C1 Elko 100uF 35V C2 C5 UI C 684J Capc u22 k63 Rv Potentiometer 25k 216M LK Lusterklemme MKDSN 1 5 5 08 Q1 Transistor BC 332 25 R1 22 000 Q 1 R4 Ranc Rs Re 11000 Q 1 50ppm Team Savonius 175 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Lufterlayout eeseeeoeoee s s ME oteo eooo seco kb AAA eooo eeeeo eeee0 kb AA AA s o 0900 E90 9099 Abb 79 L fterplatinenlayout Team Savonius 176 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger
17. Lovr MAX Vin MAX Vier Loxo d Ke sc P 0 1A 30 V 12 V 0 025 A 30 V 2 55 W Timax SP Rh y T 2 55W 5 C W 50 C 62 75 C JMAX Die Verlustleistung beim 12 V Spannungsregler betr gt 2 55 W dadurch wird der Bauteil im TO 220 Geh use auf 62 75 erhitzt F r die Berechnung der 5 V Spannungsversorgung gelten folgende berlegungen R1 100 kQ U 5 V R2 Vout V p b I R2 R2 5V 3 75V 3 75V 150nA R2 100kQ gt R2 3 ae u 33 333kQ 4150 10 100kQ Der gesuchte Widerstand ergibt R2 33 kQ Team Savonius 73 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl lout max 100 mA lenp 25 mA Vin max 30 V Vout 5 V T Package 5 Lead TO 220 Thermal Resistance Junction to Case Tr 5C W V INMAX omg P Toun E I P 0 1 A 30 V 5 V 0 025 A 30 V 3 25 W GND Vi vag Tmax PT T 3 25 W 5 C W 50 C 66 25 C T MAX Die Verlustleistung beim 5 V Spannungsregler betr gt 3 25 W dadurch wird der Bauteil im TO 220 Geh use auf 66 25 erhitzt Weiters wichtig ist die Verwendung eines externen Oszillators da der interne Oszillator des PIC16F88 maximal 8 MHz erzeugt Um eine erforderliche PWM Steuerfrequenz von ca 40 kHz zu erm glichen sind 8 MHz eine zu niedrige Frequenz Mit Hilfe einer kurzen Berechnung wurde die erforderliche Quarzfrequenz ermittelt Interner Oszillator 4 MHz aufgeteilt f r 8 Bit 2 M glichkei
18. beidseitig zu lagern Zun chst wurde berlegt auch die Windleitbleche von denen wir zu diesem Zeitpunkt noch nicht wussten dass wir sie nicht einsetzen werden beidseitig zu befestigen Die obere Befestigung sollte durch einen Stahlblechring der wiederum am Gestell angebracht werden sollte erfolgen Die hohen Kosten und die schwierige Produktion dieses Ringes und des zus tzlich notwendigen Gestells brachten uns zu der Entscheidung den Savoniusrotor nur einseitig zu lagern Diese Bauart fordert hohe Anspr che an die Lager Die einseitige Lagerung in Verbindung mit einer Unwucht f hrte n mlich zu starken Vibrationen bei hohen Drehzahlen SCHU2005 S 7 Daher sollten hochwertige Materialen verwendet werden um solchen Vibrationen vorzubeugen Au erdem ist der gro e Vorteil der einseitigen Lagerung dass der Wind wirklich rundum auf den Rotor wirken kann und dass kein Gestell die mit dem Rotor mitlaufenden Wirbeln st rt Erm glicht wurde die einseitige Lagerung durch zwei Lager die 350 mm voneinander entfernt sind Je weiter die Lager voneinander entfernt platziert sind desto stabiler l uft die Welle 4 1 1 Rotor Die Fachliteratur gibt einige Vorgaben bez glich der Grundabma e des Savoniusrotors Da sich diese laut Autoren bew hrt haben und es nicht m glich war die optimale Rotorstellung am Modell zu messen wurde auch die gro e Anlage den bereits entwickelten Rotoren nachempfunden So waren bereits Anhaltspunkte wie
19. optimal ausgenutzt wird So waren wir sicher mit dem Abschluss unserer Diplomarbeit nicht nur etwas zur Beendigung unserer Ausbildung beizutragen sondern auch etwas f r unsere auch weiterhin lebenswerte und intakte Umwelt getan zu haben e Team Savonius 1 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 1 3 Ziele Mussziele Eines der Mussziele ist den Rotor zu optimieren Dazu soll ein Modell entworfen werden und im Windkanal getestet werden Am Modell wird die optimale Rotorform und stellung ermittelt Ein weiterer Bestandteil der Diplomarbeit ist der Maximum Power Point Tracker dieser muss entworfen und dimensioniert werden um die maximal m gliche Leistung in einen Akkumulator zu speisen Sollziele Wenn m glich soll der Aufbau so entwickelt werden dass er leicht transportiert werden kann Au erdem sollte der Rotor m glichst leise laufen verbesserte Lagerung Kannziele Weiters k nnte eine Schaltungserweiterung eingebaut werden die es erm glicht zwischen verschiedenen Spannungen umzuschalten um verschiedene Akkus zu laden Au erdem w re als weiteres Feature der Einbau einer Akkuladestandsanzeige denkbar Abschlie end best nde die M glichkeit auch die Einspeisung in ein Stromnetz durchzuf hren Nichtziele Nichtziel ist es die Anlage f r Gewerbliche oder Industriebetriebe zu dimensionieren e Team Savonius 2 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 2 Der Savoniusrotor 2 1 Grundlagen Der Savon
20. 02m s 8 3 m s 0 48 6 7V 2 08A 13 94W 248 04W 5 62 168 1 min 5 28m s 9 6 m s 0 55 8 6V 287A 24 68W 383 80W 6 43 144 1 min 4 52 m s 8 7 m s 0 52 7 6V 2 39A 18 16 W 285 66 W 6 36 170 1 min 5 34 m s 10 2 m s 0 52 9 8V 2 95A 28 91 W 460 35 W 6 28 94 1 min 2 95m s 7 8m s 0 38 49V 1 44A 7 06W 205 86W 3 43 160 1 min 5 03m s 9 4 m s 0 58 8 9V 2 60A 23 14W 360 31 W 6 42 167 t min 5 25m s 9 4 mis 0 56 9 7V 2 47A 23 96 W 360 31 W 6 65 151 t min 4 74m s 8 7 m s 0 55 any 2 19A 19 71W 285 66 W 6 90 144 1 min 4 52m s 8 0m s 0 57 84V 2 20A 18 48W 222 11W 8 32 112 1 min 3 52m s 6 6m s 0 53 7 4V 1 59A 11 77W 124 72W 9 43 118 t min 3 71m s 5 8 m s 0 64 20V 1 298A 2 58W 84 64W 3 05 50 641 min 2 0imis 4 9m s 0 41 36V 0 90A 3 24W 51 04W 6 35 142 1 min 4 46m s 8 9 m s 0 50 8 9V 2 20A 19 58 W 305 82 W 6 40 152 1 min 4 78m s 10 6 m s 0 45 10 0V 2 70A 27 00W 516 66 W 5 23 160 1 min 5 03m s 9 3 m s 0 54 10 5V 2 68A 28 14W 348 93 W 8 06 72 901 min 283m s 7 0m s 0 40 56V 0 88A 4 65W 148 79W 3 12 80 1 min 2 51m s 6 8mis 0 37 5 3V 0 78A 4 13W 136 40W 3 03 65 1 min 2 04m s 6 3 m s 0 32 42V 0 68A 265W_ 108 47 W 2 44 80 1 min 2 51m s 6 4mis 0 39 51v 0 75A 3 83W 113 72W 3 36 95 1 min 2 98m s 8 3m s 0 36 60v 0 87A 5
21. 333 2 Windleilschaufelh rss 18 3 4 MESSUNgeN za ae 18 34 1 ln E E 19 3 4 2 MESSUMOS AUD EE 20 3 4 3 Messergebnisse a2 era 23 4 Savonius Oben Ohne 25 2 1 PANUNG ee Nas 25 All ROOT ea 25 Pelee Gesell See Aa ett Lee e 29 47 1 3 EE 31 2 27 BEIECHNUNG EE 34 4 2 1 Gre FEIEREN 34 4 2 2 Lagerberechnung eebe ee AE eee 35 4 2 3 Festigkeitsberechnungen EE 39 4 2 4 Gelkrattberechnung ee 43 4 2 5 Leistungsberechnung ee 47 4 32 Fertigung aer ana aaae aT 49 AO Le e EE 49 43 2 Welle an 52 43 3 HE 53 AD AS Montage een 55 4 3 5 bersetzung mit Kettentrieb ccccccccecesesccssesesesesessscesesestesseeeens 57 43 6 EndmMOnlage u nern 58 Der Maximum Power Point Tracker s s eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeees 60 5 1 Allgemeines Das Prinzip vom MPPT 4 60 nc Der Zelt ees 62 5 2 1 Prinzip des Step Up Converters u nee ds 62 522 DIMENSIO N ee ee EE 65 5 3 Beschreibung des MPPT Schaltungsaufbau cccceeeceeeeteeeeeeeeees 71 Boal ZANIOTJERUNgenk Eee keto ere ea adele enter 71 5 3 2 PIC Versorgung LT1129 TE 72 533 MESSUNG DEE 75 5 3 4 TransislorsteueninG EE 77 5 3 5 Ehe 78 EE e 79 9 4 Platine nlayoutecan nue Sova e abn Valter eli ces 79 SAT VWAVOUl ak aeons co ee 79 5 4 2 Fertigung der Leiterplatte AEN 82 5 4 3 Schrittweise Inbetriebnahme der Leiterplatte 83 5 4 4 Verbesserungen an Schaltplan und Layout 86 3 92 Programi 3024 20ers eels eae ee
22. 337 79 W 5 84 192 1 min 6 03 m s 7 3m s 0 83 0 48A 25 2V 12 10W 168 76 W 7 17 115 1 min 3 61 m s 8 7 m s 0 42 0 18A 24 8V 446 W 285 66 W 1 56 158 1 min 4 96 m s 7 7m s 0 64 0 55A 25 1 V 13 81 W 198 04 W 6 97 120 1 min 3 77 m s 8 5 m s 0 44 023A 24 9V 5 73W 266 41 W 2 15 112 1 min 3 52 m s 7 3m s 0 48 0 32A 24 9V 797W 168 76 W 4 72 122 1 min 3 83 m s 7 0m s 0 55 0 30A 24 9V 7 47W 148 79 W 5 02 143 Diplomarbeit MPPT mit 12 Anderungen pro Sekunde Grohs Klimpfinger Lerch Redl S S z 5 D Se SS E g ER S d Sr 252E Pak g 23 833 _ ek SX oO 3505 o gt 2 p SG SES 35 ok cx o2 92ZeH 9CCR 8 es 258 EN 5 5 2 3583 225 S S 5 5 Ku 2 D l 2 x D 114 1 min 3 58 m s 8 5 m s 0 42 0 32A 25 0V 800W 266 41 W 3 00 194 1 min 6 09 m s 8 5 m s 0 72 0 74A 25 6V 18 94W 266 41 W 7 11 148 1 min 4 65 m s 8 1 m s 0 57 0 55A 25 5V 14 03W 230 54 W 6 08 247 1 min 7 76 m s 9 0 m s 0 86 1 03A 26 2V 26 99W 316 24 W 8 53 148 1 min 4 65 m s 7 6m s 0 61 0 53A 25 3V 1341W 190 43 W 7 04 150 1 min 4 71 m s 7 2 mM s 0 65 044A 25 3V 11 13W 161 91 W 6 88 152 1 min 4 78 m s 8 4 m s 0 57 0 68A 25 6V 17 41W 257 11 W 6 77 198 1 min 6 22 m s 8 6 m s 0 72 0 78A 25 6V 19 97W 275 92 W 7 24 270 1 mi
23. 380 1 min 11 94 m s 10 4 m s 1 15 34 6 V 1 20A 41 52W 487 97 W 8 51 360 1 min 11 31 m s 11 4 m s 0 99 36 8 V 1 26A 46 37 W 642 69 W 7 21 207 1 min 6 50 m s 8 2 m s 0 79 17 6V 0 60A 10 56 W 239 18W 4 42 242 1 min 7 60 m s 7 6 m s 1 00 21 2V 0 70A 14 84 W 190 43 W 7 19 240 1 min 7 54 m s 8 1m s 0 93 21 2V 0 71A 15 05 W 230 54W 6 53 311 1 min 9 77 m s 9 2m s 1 06 27 2 V 0 91A 24 75 W 337 79 W 7 33 288 1 min 9 05 m s 83 m s 1 09 25 0 V 0 83A 20 75 W 248 04W 8 37 341 1 min 10 71 m s 9 4m s 1 14 30 0 V 0 99 A 29 70 W 360 31 W 8 24 286 1 min 8 98 m s 8 5 m s 1 06 25 0 V 0 82 A 20 50 W 266 41 W 7 69 300 1 min 9 42 m s 9 3m s 1 01 26 4V 0 87 A 22 97 W 348 93W 6 58 58 1 min 1 82 m s 6 0 m s 0 30 4 9V 0 18A 0 88W 93 70W 0 94 82 1 min 2 58 m s 6 5 m s 0 40 7 0V 0 24A 1 68W 119 13 W 1 41 125 1 min 3 93 m s 6 3 m s 0 62 11 0 V 0 37 A 4 07 W 108 47W 3 75 210 1 min 6 60 m s 7 7 m s 0 86 18 0 V 0 50 A 9 00W 198 04W 4 54 175 1 min 5 50 m s 7 0m s 0 79 15 5V 0 51 A 791W 148 79W 5 31 164 1 min 5 15 m s 7 0m s 0 74 14 7V 0 48 A 7 06 W 148 79 W 4 74 153 1 min 4 81 m s 6 5 m s 0 74 13 1 V 0 44 A 5 76W 119 13W 4 84 164 1 min 5 15 m s 7 5m s 0 69 14 4 V 0 48 A 6 91 W 183 01 W 3 78 201 1 min 6 31 m s 7 7 m s 0 82 175V 0 57 A 9 98W 198 04W 5 04 40Q 130 1 min
24. 69 m s 82 m s 0 82 16 4V 1 05A 17 22W 239 18 W 7 20 200 90 1 min 2 83 m s 7 4m s 0 38 86V 0 45A 3 87 W 175 79W 2 20 110 1 min 3 46 m s 6 6 m s 0 52 9 0V 0 55A 4 95W 124 7 2W 3 97 150 1 min 4 71 m s 7 8m s 0 60 13 8V 0 73A 10 07 W 205 86 W 4 89 150 1 min 4 71 m s 7 4 m s 0 64 13 0 V 0 65 A 8 45 W 175 79W 4 81 80 1 min 2 51 m s 5 9m s 0 43 83V 0 45A 3 74 W 89 09W 4 19 310 1 min 9 74 m s 10 3 m s 0 95 27 5V 1 44A 39 60W 474 02W 8 35 370 1 min 11 62 m s 11 2 m s 1 04 31 1V 1 74A 54 11 W 609 46 W 8 88 320 1 min 10 05 m s 9 3 m s 1 08 26 4 V 1 35 A 35 64W 348 93W 10 21 252 1 min 7 92 m s 89 m s 0 89 21 8V 1 10A 23 98 W 305 82 W 7 84 275 1 min 8 64 m s 84 m s 1 03 23 0 V 1 15A 26 45 W 257 11 W 10 29 247 1 min 7 76 m s 8 5 m s 0 91 20 8V 1 05A 21 84 W 266 41 W 8 20 284 1 min 8 92 m s 10 0 m s 0 89 23 6 V 1 19 A 28 08W 433 80 W 6 47 297 1 min 9 33 m s 9 0m s 1 04 25 0V 126 A 31 50 W 316 24W 9 96 300 1 min 9 42 m s 9 3m s 1 01 26 2 V 1 32 A 34 58 W 348 93W 9 91 300 1 min 9 42 m s 9 1m s 1 04 253V 1 28A 32 38 W 326 90 W 9 91 224 1 min 7 04 m s 88 m s 0 80 19 1 V 0 96 A 18 34 W 295 62W 6 20 134 1 min 4 21 m s 7 2m s 0 58 10 8V 0 57 A 6 16 W 161 91 W 3 80 160 1 min 5 03 m s 7 7 ms 0 65 13 3 V 0 67 A 8 91 W 198 04W 4 50 170 1 min 5 3
25. A 50 3 Ko KC Ko Wz ke DS Als Last wurden 3 5 7 10 15 20 30 und 40 Q eingestellt Bei diesen verschiedenen Belastungen wurden die Messwerte des Stroms der Spannung der Drehzahl und der Windgeschwindigkeit mehrmals aufgezeichnet Mit diesen Werten konnten dann die brigen Variablen berechnet werden Daf r wurden folgende Formeln verwendet fd Umfangsgeschwindigkeit u 4 en 2 siehe auch Kapitel 2 3 1 Schnelllaufzahl A e siehe auch Kapitel 2 3 3 Vy Windgeschwindigkeit el Nettoleistung P I U 0 Luftstromleistung P SCHO siehe auch Kapitel 2 3 1 P Wirkungsgrad c E 0 Eine vollstandige Tabelle mit den aufgezeichneten und berechneten Werten befindet sich in Anhang E Mit diesen Daten wurde ein Diagramm erstellt Auf der x Achse wird die Schnelllaufzahl aufgetragen Diese ist abhangig von der Windgeschwindigkeit und der Team Savonius 100 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und lasst so auf die Last des Rotors schlieBen Auf der y Achse wird der c Wert aufgetragen Der c Wert ist der Leistungsbeiwert des Savoniusrotors Er beschreibt das Verh ltnis zwischen erzeugter elektrischer Leistung und der im Wind enthaltenen Leistung Somit stellt das Diagramm vereinfacht das Verh ltnis der Last zum c Wert dar Belastungskennlinie 12 00 10 00 8 00 Q 6 00 4 00 2 00 4 0 00 0 00 0 20 0 40
26. E og a Ku S E oY oO oo G Dz Q z 2 2 EE N ce D oO E ES 25 D TS E O D ke lt H x x O x x C lt bei Ce u Eg O a 5x 0 o K o 50 o o oi Dz 3 DS Die komplette Tabelle mit allen Werten befindet sich im Anhang E Bei diesen Tests wurde kein regelbarer Widerstand verwendet sondern der Maximum Power Point Tracker sollte nun seine Aufgabe bernehmen und den Savoniusrotor m glichst optimal belasten Um die optimale Regelung zu erhalten wurde zun chst mit demselben Programm wie am Solarpanel getestet Dieses f hrte die Regelung sehr schnell aus Anschlie end wurden verschiedene Versionen des Programms getestet Die Firmwareversionen hatten alle verschieden lange Verz gerungsschleifen um so die nderung des PWM Tastverh ltnisses weniger oft pro Sekunde durchzuf hren Dem Savoniusrotor wird so mehr Zeit gegeben sich an die neue Last anzupassen Team Savonius 102 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MPPT mit 48 Zugriffen pro Sekunde Zuerst wurde das Programm vom Solarpanel verwendet dieses wurde dort erfolgreich getestet und zeigte seine Funktionst chtigkeit mit einem Wirkungsgrad von rund 80 Diese Version des Programms MPPT_v2 0_ 48 hatte keine besonderen Verz gerungsschleifen und nderte das Tastverh ltnis der PWM 48 mal pro Sekunde Mit den aufgezeichneten Werten ergab sich folgendes Diagramm Abbildung 67 MPPT mit 48 nderungen pro
27. Lerch Redl MOV LW CALL MOVWF MOVWF BCF CALL CALL ADC Tout mulplr PORTB 1 USART limit_voltage CALL BTFSS GOTO MOV LW MOVWF CALI limit_current delayer STATUS Z main 4 delayer multiply compare change_DC main Team Savonius value calls store store for ADC Channel select ADC routine result in Iout Register result in multiplier Register deactivates measuring ICs calls subroutine for RS232 test maximum input current test maximum charging voltage test for fifth pass calls multiplication routine calls compare routine 233 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Annang J Sponsoren Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl F r Unterst tzung in den Bereichen Finanzierung Material und auch Know How bedanken wir uns besonders bei unseren Sponsoren F rderanlagen Schlosserei WERFRING Ges m b H F rderanlagen Schlosserei ROMERQUELLE belebt die Sinne RS Components Handelsges m b H Conrad Electronic GmbH amp Co KG QONRAD ELEKTRONIK TECHNIK DURCHBLICK Team Savonius SchlosserstraBe 4 7221 Marz www werfring net Holzmanngasse 3 A 1211 Wien www roemmerquelle at Albrechtser StraBe 11 3950 Gm nd www rs components at DurisolstraBe
28. Lerch Redl Verwendeter MPPT Schaltplan A3 Team Savonius 177 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Optimierter MPPT Schaltplan A3 Team Savonius 178 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Verwendetes MPPT Layout Abb 80 Verwendetes SES Top ien z Abb 81 Verwendetes Layout Bottom Team Savonius 179 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Layoutfertigungstipps Da w hrend der Layoutentwicklung viele Fehler durch Unwissen und Unachtsamkeiten auftreten k nnten sollen die weiteren Beschreibungen als Tipps und Hinweise einen berblick schaffen Leitungen Dicke L nge Typ beachten Die vielleicht wichtigste Grundregel beim Entwurf einer Leiterplatte lautet alle Leitungen m glichst kurz aber dick auszuf hren Breite kurze Bahnen verursachen nur geringe Leitungswiderst nde und erw rmen sich auch bei gro en Str men kaum Weiters muss man bedenken dass bei einer beidseitig best ckten Platine ein Unterschied zwischen Bauteilseite und L tseite gemacht werden muss Alle bedrahteten Bauteile werden auf der Bauteilseite best ckt die L tstellen und Anschl sse werden aber ber Bohrungen auf die Gegen berseite verlegt Auf der L tseite platziert man m glichst alle SMD Bauteile als Folge daraus befindet sich auf dieser Seite auch der Gro teil der Leiterbahnen Weitere Design Regeln beziehen sich haupts chlich auf die Verlegung verschiedener Leitungstypen Ver
29. Luftwiderstandsbeiwert essen 8 Quelle www mb fh stralsund de fss pages pg_lehre stm st_lab_599 pdf Abb 6 Das konstruierte Gestellzuc senesssese a 11 Abb 8 Der Rotor in ProE K nsinieil een dius 13 Abb 9 Prinzip der EES 14 Abb 10 Windleitschaufeln vor dem Diegen Au 15 Abb 11 Modell in der Ansicht von oben 16 Abb 12 Das gesamte Modell nach der Planung 16 Abb 13 Skizze des Windkanals Aen 19 Abb 14 Foto vom Windkanal n ncesnsenieneeen ee 19 Abb 15 Schaltplan mit LDR u enaseeeakekeke 20 Abb 16 Messkonstruktion nme 21 Abb 17 Signal am Oszilloskop mit LDR nn 21 Abb 18 Schaltplan mit Heed Kontakt 22 Abb 19 Signal am Oszilloskop mit Peed kontakt 22 Abb 20 ProE Zeichnung der Teller un 27 Abb 21 ProE Zeichnung der Gtetoketsscheben 28 Abb 22 Stelling DEE 28 Quelle http bill dart de images billard 253501 og Abb 23 ProE Zeichnung der Lagerplatten cccccceseeeeeeeeeeeeeeeeeeeenteeeeeeees 30 Abb 24 Die gesamte Anlage in ProE oezechnet 31 Abb 25 Wind blast auf die projizierte Fl che des Hotors nonnonnooeeneneeeeeeeeeeenne 34 Abb 26 Luftwiderstandsbeiwert bei rechteckiger Fl che 34 Betrachtet man die rechte Spalte Links das Verh ltnis von h zu b rechts der dazugeh rige cw Wert unse 34 Abb 27 Einwirkung des Windes der Gewichtskraft und die Ee E en E 35 Abb 28 Krafteverlauf auf dem belasteten Wellenstock 39 Abb 29 Momentenverlauf auf dem belasteten Welle
30. Subroutine aufgerufen um die Daten im Hex Format zu bertragen Zuerst wird jedoch ein Zwischenzeichen OxFF gesendet welches bei den empfangenen Werten erm glicht zu erkennen um welche Variable es sich handelt Nach der bertragung wird durch Testen des Receive Interrupt Flag Bits RCIF festgestellt ob ein Zeichen ber das USART Modul also der Befehl zum Abbruch der bertragung empfangen wurde Ist das RCIF Bit also gesetzt wird das usart_flag Bit gel scht und durch Auslesen des Receive Register RCREG das RCIF Bit gel scht dieser Wert wird allerdings nicht ben tigt der Vorgang dient nur zum L schen des RCIF Bits da dies nicht anders m glich ist Ist nun beim n chsten Durchlauf der USART Routine das usart_flag Bit gel scht wird berpr ft ob das RCIF Bit gesetzt ist Ist dies der Fall wurde ein Zeichen vom PC empfangen und damit der Befehl zum Start der Daten bertragung gegeben Es wird das usart_flag Bit gesetzt damit die Messdaten beim n chsten Durchlauf bertragen werden Zum Schluss wird das RCIF Bit durch Auslesen des RCREG gel scht 98 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 6 Messungen 6 1 Aufbau Nachdem die beiden Komponenten fertig gestellt worden waren konnten sie nun gemeinsam getestet werden Erst mit diesen Tests war es m glich das Programm f r den MPPT an den Savoniusrotor anzupassen weil dieser trager als das Solarpanel ist Da f r den gro en Savoniusrotor der kleine Windk
31. UI 7 PP stillstand Ideale Last Freier Lauf n U min Abb 46 Umdrehungs Leistungsdiagramm mit MPP zeigt den Verlauf bei konstanter Windst rke Die Regelung des Step Up Converters bernimmt ein Mikroprozessor Dieser muss st ndig berwachen ob die aktuelle Leistung optimal ist Hierzu testet er ob sich eine Erh hung oder Verringerung der Schaltdauer des Wandlers positiv oder negativ auf die Leistung auswirkt Dazu muss er st ndig Spannung und Strom messen um daraus die Leistung zu berechnen Diese wird mit dem vorherigen Wert verglichen Ist die neue Leistung gestiegen war die nderung der Schaltdauer richtig und sie kann Team Savonius 60 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl weiter in diese Richtung verandert werden Ist die Leistung jedoch gesunken muss eine Umkehr der nderung stattfinden Au erdem muss der Kontroller darauf achten dass kein Kurzschluss zustande kommt oder die Schaltung durch sonstige Vorg nge im Betrieb zu Schaden kommt d h er darf nur 0 90 Schaltdauer zulassen Die gesamte Schaltung und damit auch die Regelung muss nat rlich m glichst stromsparend arbeiten um so das Entladen des Akkumulators bei ausbleibendem Wind zu verhindern und den Wirkungsgrad des Maximum Power Point Trackers m glichst hoch zu halten Der Mikrokontroller ben tigt also zur berwachung des Step Up Converters ausreichend Analog Digital Wandler f r die Messungen und mindestens einen PWM Ausgang zur
32. V 6 40 W 183 01 W 3 49 100 1 min 3 14 m s 7 8m s 0 40 0 28A 24 6 V 6 89 W 205 86 W 3 35 60 1 min 1 88 m s 5 8m s 0 32 0 08A 24 5 V 1 96 W 84 64 W 2 32 120 1 min 3 77 m s 7 7m s 0 49 0 36A 24 6 V 8 86 W 198 04 W 4 47 98 1 min 3 08 m s 6 8m s 0 45 0 24A 24 6V 5 90 Wl 136 40 W 4 33 50 1 min 1 57 m s 5 0m s 0 31 0 02A 24 5V 0 49 W 54 23 W 0 90 65 1 min 2 04 m s 5 6 m s 0 36 0 07A 24 5 V 1 72 W 76 18 W 2 25 58 1 min 1 82 m s 5 4m s 0 34 0 04A 24 5 V 0 98 W 68 31 W 1 43 65 1 min 2 04 m s 7 4m s 0 28 0 11A 24 5V 2 70W 175 79 W 1 53 72 1 min 2 26 m s 75m s 0 30 0 14A 24 6 V 3 44W 183 01 W 1 88 82 1 min 2 58 m s 75m s 0 34 0 15A 24 6 V 3 69W 183 01 W 2 02 90 1 min 2 83 m s 7 6m s 0 37 0 21A 24 6V 5 17W 190 43 W 2 71 170 1 min 5 34 m s 9 8m s 0 54 0 62A 24 7V 15 31 W 408 29 W 3 75 145 1 min 4 56 m s 88 m s 0 52 0 51 A 24 7V 12 60 W 295 62 W 4 26 65 1 min 2 04 m s 6 3 m s 0 32 0 10A 24 6 V 2 46W 108 47 W 2 27 74 1 min 2 32 m s 7 0 m s 0 383 0 12A 24 6V 2 95W 148 79 W 1 98 65 1 min 2 04 m s 7 0 m s 0 29 0 06A 24 6 V 1 48W 148 79 W 0 99 92 1 min 2 89 m s 8 0 m s 0 36 0 19A 24 6 V 4 67 W 222 11 W 2 10 120 1 min 3 77 m s 8 0 m s 0 47 0 34A 24 6 V 8 36 W 222 11 W 3 77 80 1 min 2 51 m s 8 0 m s 0 31 0 16A 24 6 V 3 94 W 222 11 W 1 77 102 1 min 3 20 m s 75m s 0 43 0 28A 24 6 V 6 89 W 183 01 W 3 76 116 1 min 3 64 m s 9 0 m s 0 40 0 31A 24 6 V 7 63 W 316 24 W 2
33. Windgeschwindigkeiten und kann bis ca 80 km h Windst rke effektiv Energie liefern F r die Elektronik spielte weiters vor allem der Maximalstrom des Motors eine Rolle Wenn man beim Gleichstrommotor als Generator eine h here Drehzahl an der Motorwelle erzeugen kann als von den Motordaten vorgegeben versucht der Motor auch die h here Energie zu erzeugen Das hei t es wird mehr Energie erzeugt als der Motor eigentlich aush lt des Weiteren wird dieser daher bald kaputt Wird beim Motor ber l ngere Dauer die Maximalleistung z B auf Grund von Sturm berschritten wird der Gleichstrommotor berlastet berhitzt und zerst rt Mittels PIC konnte der entsprechende Eingangstrom der Schaltung dauernd gemessen werden und eine Dauer berlastung durch die Regelung verhindert werden Als weiteren Schutz kann ein Bremswiderstand eine gezielte Bremsung des Rotors durchf hren Der gew hlte Generator hat eine elektrische Leistung von 60 Watt Da ein sehr hohes bersetzungsverh ltnis gew hlt wurde gibt es im Getriebe auch hohe Verluste Die Getriebeverluste belaufen sich auf 40 Watt und m ssen nat rlich im Wirkungsgrad ber cksichtigt werden Team Savonius 32 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Die folgende Tabelle zeigt die im Wind vorhandene Energie und die maximal zu erzeugende elektrische Leistung des Savoniusrotors bei 8 Gesamtwirkungsgrad Windgeschwindigkeit Wind
34. Zum Beispiel k nnte der Savoniusrotor in L ndern der Dritten Welt aufgestellt werden um Werkst tten oder Arztpraxen mit elektrischer Energie zu versorgen Aber auch in gebirgigen Gebieten in denen Stromverbindungen nur schwer verlegt werden k nnen w re der Savoniusrotor u erst praktisch Um die maximale Leistung des Aufbaus ber einen geeigneten Spannungswandler an den Verbraucher zu bertragen wird ein Maximum Power Point Tracker MPPT verwendet Dieser regelt die Pulsweite des Step Up Converters so dass der Savoniusrotor immer am Maximum Power Point betrieben wird 1 2 Motivation Die aktuelle prek re Lage in der Treibstoffpolitik treibt auch die Strompreise in die H he Die CO Emissionen nehmen st ndig zu und verursachen verheerende Katastrophen Es besteht ganz klar Handlungsbedarf Da wir selbst ber den derzeitigen Trend zur Zerst rung der Umwelt besorgt sind und auch in 20 Jahren noch frische Luft atmen wollen ist es uns ein gro es Anliegen eine Energiegewinnungsanlage im Einklang mit der Natur zu entwickeln Schon fr h in der Geschichte der Menschheit nutzte man die Kraft des Windes aus doch um konkurrenzf hig zu den anderen oftmals fossilen Energietr gern zu bleiben muss die Leistung optimal genutzt werden Mit diesem Ziel vor Augen versuchten wir ein Ger t zu konstruieren das auch in dezentral gelegenen Gebieten errichtet werden kann und Strom liefert indem die Windenergie dank einer intelligenten Steuerung
35. beschreiben w rde den Rahmen dieser Diplomarbeit sprengen Daher wurde der Savoniusrotor so dimensioniert wie es in der Literatur zu finden ist Trotzdem wird auf das Wesentliche eingegangen und genauer beschrieben 2 3 1 Die elementare Impulstheorie nach Betz Die kinetische Energie einer Luftmasse l sst sich mit der folgenden Gleichung ausdr cken E m v2 2 Wird eine bestimmte Querschnittflache A betrachtet welche von der Luft mit der Windgeschwindigkeit v durchgestr mt wird so ist das durchflie ende Volumen der VolumsstromV V v A bzw der Massestrom mit der Luftdichte p m p v A vgl HAUE2003 S 79ff e Team Savonius 4 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Setzt man den Massestrom in die Formel der kinetischen Energie ein erhalt man die Energiemenge pro Zeit die durch einen Querschnitt flieBt Diese entspricht der Leistung 1 Pa Augie A gt P Es gilt die mechanische Leistung die der Savoniusrotor dem Windstrom entzieht zu bestimmen Da der Entzug der mechanischen Leistung auf Kosten der kinetischen Energie geht muss die Geschwindigkeit nach dem Rotor geringer sein als vor dem Rotor Es muss also bei gleichem Massestrom auch gleichzeitig eine Erweiterung des Querschnitts des Windstroms erfolgen Dieses Prinzip wird in Abbildung 1 erl utert Abb 1 Str mungsverh ltnisse beim Entzug von mechanischer Leistung Die mechanische Leistung die der Savoniusrotor dem Luftstrom entzieht ergi
36. eingeplant waren musste das Gestell in ProE verkleinert werden Nach dieser Einsparung betrug die Breite des Gestells 1000 mm Das Gestell besteht aus drei horizontalen Ebenen Die erste tr gt das Axiallager direkt unter dem Rotor Dazu wurden zwei zus tzliche Tr ger ben tigt F r die zweite Ebene die das Radiallager beinhaltet wurden sechs zus tzliche Tr ger eingeplant da die zwei Quertr ger auf denen die Lagerplatte liegt insgesamt vier vertikale St tzen brauchen Die letzte Ebene bildet die Basis f r diese St tzen und gleichzeitig die Stabilisierung der Beine und ben tigt vier Tr ger Mit den vier St tzbeinen und einem Tr ger f r die Ummantelung macht das insgesamt 21 Komponenten aus denen das Gestell besteht Die gesamte Konstruktion des Gestells ist in Abbildung 24 ersichtlich Die Tr ger werden miteinander verschwei t Da der Ecksto weniger belastbar ist als der T Sto vgl RMME2001 Abb 6 10 werden an den Eckpunkten Gehrungen geschnitten Diese erm glichen es die auftretenden Kr fte besser zu bertragen Team Savonius 30 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Nach dem Zusammenschwei en der Komponenten wurden noch h henverstellbare F e angebracht um Unebenheiten im Boden ausgleichen zu k nnen und eine waagrechte Position im nat rlichen Gel nde zu garantieren Abb 24 Die gesamte Anlage in ProE gezeichnet 4 1 3 Generator Der gew hlte Gleichstrommotor stammt von der Firma Minimotor
37. ge ndert Hauptaufgabe beim Leiterplattendesign ist es die entworfene Schaltung f r die sp tere Fertigung auf einer Leiterplatte abzubilden Man muss dabei immer bedenken dass auch die beste Schaltung bei falschem Platinendesign funktionsunt chtig sein kann da verschiedenste Arten von Leitungen auf so kleinem Raum enorme St rungen und Fehlwirkungen erzeugen k nnen Dazu werden im Anhang die allgemeinen Design Regeln zum Layoutentwurf erkl rt siene Anhang G in diesem Kapitel folgt die Beschreibung der Spezialit ten der MPPT Leiterplattenentwicklung Hauptaugenmerk beim Design der MPPT Schaltung gilt der Verlegung der pulsweitenmodulierten PWM Signalleitungen die direkt kurz und kreuzungsfrei verlegt werden m ssen Die Messleitungen f r Strom und Spannungsmessung wurden ebenfalls kurz und st rungsfrei verlegt um grobe Messfehler vermeiden zu Team Savonius 79 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl k nnen F r die Maximum Power Point Tracker Schaltung wurde eine Europlatine mit den Abma en 160 mm x 100 mm ausgew hlt denn bei dieser Gr e bleibt Platz f r alle Leiterbahnen gro e Bauteile wie Spule und Kondensatoren und auch f r K hlk rper Die Kupferbeschichtung von 70 um ist dicker als bei den meisten Standardplatinen man kann daf r aber besser mit den hohen Str men arbeiten Alle Leitungen des Step Up Converters m ssen h here Str me und Leistungen aushalten und es werden Leiterbahndicken von bis zu 4 m
38. gro e Streuung der Werte Es wurde angenommen dass diese Regelung doch bereits zu langsam f r den Wind der seine St rke schlie lich auch nicht immer kontinuierlich h lt war Es wurde beschlossen das Programm zu ndern Team Savonius 104 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MPPT mit 5 Zugriffen pro Sekunde Die Version MPPT_v2 0_5 greift nur 5 mal pro Sekunde auf die Subroutine zur nderung des PWM Tastverh ltnisses zu Das neue Diagramm in Abbildung 69 sieht wie folgt aus MPPT mit 5 nderungen pro Sek 8 00 7 00 6 00 5 00 RH 4 00 3 00 2 00 4 1 00 4 0 00 T SZ T T T T 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 20 Schnelllaufzahl A MPPT 5 s Polynomisch MPPT 5 s Abb 69 Kennlinie mit MPPT 5 nderungen pro Sekunde Die Messwerte mit dem Programm mit 5 nderungen pro Sekunde weisen noch immer einen Trend zu 2 bis 4 Wirkungsgrad auf Daher wurde beschlossen das Programm nochmals zu ndern Team Savonius 105 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MPPT mit 12 Zugriffen pro Sekunde Mit der neuen Version MPPT_v2 0 12 welche eine nderung des PWM Tastverh ltnis 12 mal pro Sekunde ausf hrt wurde ein Wert zwischen den eindeutig zu schnellen 48 nderungen pro Sekunde und den vermutlich bereits zu langsamen 5 nderungen gew hlt Diese Messwerte sahen nun deutlich besser aus und sind in folgendem Diagramm in Abbildung 70 zu sehen
39. richtiger Dimensionierung des Ausgangswiderstands der gemessene Stromwert proportional in Form einer Spannung ausgegeben Somit wird dem PIC eine brauchbare Strommessung erm glicht da der PIC die Spannung des MAX472 mittels AD Wandlung messen und aufnehmen kann Im Anschluss erfolgt die Berechnung des Spannungsteilers bei der AD Wandlung R2 10kQ Team Savonius 76 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Ul_R2 RI U2 R2 riz R2 R2 3 10 100 U2 5V R1 50kQ Der Widerstand R1 ergibt Ri 50 kQ In der Leiterplatte erfolgt der exakte Aufbau durch die Serienschaltung von 47 kQ und 3 9 kQ 50 9 kQ gt Siehe Abbildung 8 L 30V R1 10k 5V Abb 55 Spannungsteiler Die Verluste und Leistungen im Step Up Converter werden mit folgenden Formeln berechnet Worst case U 28V 1 5A Der Leistungsabfall am 5mQ Messwiderstand f r Strommessung berechnet sich wie folgt P R I 5mQ 5 A 125mW 0 125W Als Ausgangswiderstand bei den ICs MAX472 wurde eine Serienschaltung von 1 kQ und 3 9kQ verwendet das hei t der Gesamtwiderstand betr gt 4 9 kQ Dieser Ausgang entspricht einer Spannung von 4 9 V am PIC Eingang bei einem Strom von 10 A im MPPT 5 3 4 Transistorsteuerung Die programmierte Software des Mikrokontrollers erm glicht dem PIC eine weitere Verarbeitung der Messwerte und ermittelt das dementsprechende PWM Signal Dieses Signal muss ber den Steuerausgang zum MOSFET Transistor
40. t werden Team Savonius 52 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Da auf die Welle mehr Krafte als auf die Flanschplatte wirken wurde hier eine durchgehende Naht geschwei t Durch das Schwei en verzog sich die Welle um einige wenige Zehntel Millimeter die sich aber stark auf das Drehverhalten des Rotors ausgewirkt h tten w re dieser Verzug nicht behoben worden Deshalb wurde die Welle in der Drehbank mit sehr kleiner Drehzahl gedreht mit einem Zentriertaster vermessen und gegebenenfalls Unrundheiten mit einer Spindelpresse korrigiert Dieser Vorgang musste mehrere Male wiederholt werden Das Gewicht der Welle betrug nun 17 5 kg Abb 39 Die verwendete Messuhr 4 3 3 Gestell Lagerplatte Aus einem 15 mm dicken und 150 mm breiten Rohling wurden zwei 300 mm lange St cke geschnitten Dabei handelte es sich um den Werkstoff S235JR nicht weil dieser besondere Eigenschaften aufweist sondern weil er sofort verf gbar war Das genaue Einhalten der Ma e 15x 150x300 war nicht weiter wichtig da diese Abmessungen die Funktionsweise nicht beeinflussen Das Bohrbild sollte an einer Fr smaschine gefertigt werden da hier eine hohe Genauigkeit erzielt werden kann Um bei der Montage eine genaue berlagerung der beiden 42 mm Bohrungen in den Mitten der Platten erreichen zu k nnen wurde der Ausgangspunkt Null Punkt f r alle Bohrungen in der linken oberen Ecke gew hlt Auch bei der Montage musste man sich an diesen Punkt
41. the capacity s earlier value the microcontroller optimises the step up converter s switching operation and in this way also the Savonius rotor s load in relation to the wind strength Danksagung Die Arbeit an unserem Maturaprojekt Savoniusrotor mit Maximum Power Point Tracker war sehr zeitaufwendig daher mussten wir uns intensiv mit dem Thema auseinandersetzten Ohne tatkr ftige Unterst tzung durch unsere Sponsoren und unsere betreuenden Lehrer ware allerdings die Fertigstellung des Projekts nicht m glich gewesen Allen voran gilt unser Dank unserem Hauptsponsor F rderanlagen Schlosserei WERFRING Ges m b H welcher die kompletten Produktions und Materialkosten f r den Savoniusrotor bernommen hat F r den Entwurf und die Konstruktion der Windkraftanlage konnten wir uns Ratschl ge bei der Firma einholen Weiters wurden wir w hrend der Fertigung im Betrieb von Fachkr ften aus allen Fertigungsbereichen beraten und intensiv unterst tzt R merquelle stellte uns Material f r das Rotormodell zur Verf gung und bernahm einen Teil der Kosten Die Firmen Conrad und RS Components sponserten uns die meisten der ben tigten Bauteile f r die Elektronik In der Schule wurden wir stets von unseren Betreuern DI Martin Meschik und DI Karl Allabauer beraten Die Unterst tzung war vor allem f r den Entwurf und die Kontrolle der Elektronik beziehungsweise f r die Berechnung der mechanischen Komponenten wichtig Besonderer
42. und 1000kQ bei normalem Umgebungslicht Daher wurde der Lastwiderstand im arithmetischen Mittel des Team Savonius 20 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Bereichs angesetzt und betr gt somit 470 kQ Betrieben wurde die Schaltung mit 5 V Wie in Abbildung 16 zu sehen ist wurden zwei Blechprofile zusammengeschwei t um die LED und den LDR anbringen zu k nnen Abb 16 Messkonstruktion Abb 17 Signal am Oszilloskop mit LDR In Abbildung 17 ist zu erkennen dass das Oszilloskop die vom LDR verursachten Unterbrechungen anzeigt Durch das Umgebungslicht werden jedoch St rungen in die Messergebnisse gebracht und daher verf lscht Der n chste L sungsweg war der Einsatz eines Reed Kontaktes Dazu wurde das Oszilloskop parallel zum Reed Kontakt geschaltet siehe Abbildung 18 Das Prinzip der Schaltung ist dass das Oszilloskop das Eingangssignal 5V anzeigt Dieses Signal wird unterbrochen wenn der Reed Kontakt in das Magnetfeld verursacht durch einen Dauermagneten am Rotor kommt und sich schlie t Team Savonius 21 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Der in Abbildung 18 ersichtliche Lastwiderstand wurde mit 1000 Q gew hlt Die Eingangsspannung betr gt 5 V Reed Kontakt Oszilloskop Abb 18 Schaltplan mit Reed Kontakt Abb 19 Signal am Oszilloskop mit Reed Kontakt Team Savonius 22 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 3 4 3 Messergebnisse
43. und liefert maximal 24V mit 2 5A Es wurde ein Stirnradgetriebe als bersetzung im Motor verwendet um auf die ben tigten Drehzahlen zur Energieerzeugung zu gelangen Bei der exakten Motorwahl mussten mehrere Aspekte beachtet werden daher wurde Beratung von Professoren und dem Motorlieferanten der Firma Sp rk eingeholt Die Ausgangsdrehzahl nach dem Getriebe des Motors musste dem Rotor entsprechend niedrig sein weiters musste man die sp tere Belastung durch die Ladung der 24V Batterie mit einrechnen Die Daten des eingebauten Motors befinden sich im Minimotor Datenblatt im Anhang H Den berblick ber die wichtigsten Parameter liefert die folgende Tabelle Team Savonius 31 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl bersetzungsverh ltnis 42 6 Type ACC24MP Spannung 24 V Strom 2 5 A Aufgenommene Leistung 60 W Eingangsdrehzahl 2800 min Ausgangsdrehzahl 66 min Nennmoment 5 Nm Tab 4 Motorkenndaten Der Motor wurde in Absprache mit dem Motorlieferanten und dem Hauptsponsor gew hlt Wie die Tests ergeben haben kann ein zu leistungsstarker Motor vom Savoniusrotor nur bei hohen Windgeschwindigkeiten brauchbar betrieben werden F r eine regelm ige Energieerzeugung mit dem Windrad ist es sinnvoller bei durchschnittlichen Windst rken einen passenden Ladestrom zu erzeugen Der gew hlte Motor ist daher eher leistungsschwach garantiert dadurch aber ein Anlaufen des Rotors bei geringen
44. waren der Einbau der Spannungsregler f r 5V und 12 V mit den entsprechenden Einstell Widerst nden und einer Spannungsmesskomponente Die Spannungsregler mussten konstant die gew nschte Versorgungsspannung am Ausgang liefern k nnen die Erw rmung auf Grund der Last wurde ebenfalls berpr ft Nach dem erfolgreichen Bestehen des Tests wurde die Spannungsmesseinrichtung am Eingang aktiviert Die Freischaltung der Messung die im Betrieb ber einen PIC Ausgang realisiert wird musste durch eine passende Drahtbr cke simuliert werden Danach konnte am gew nschten PIC Eingang die Messspannung mit dem Multimeter ausgelesen werden Mit den passenden Ergebnissen konnte die Funktionst chtigkeit der Spannungsmesskomponente best tigt werden Ab nun war die Best ckung der zweiten Spannungsmessung am Step Up Converter Ausgang sinnvoll Die n chste Stufe der Best ckung der Leiterplatte besch ftigte sich mit der Strommesskomponente Daf r mussten eine komplette Beschaltung des MAX472 und der richtige Einbau des BSS89 Transistors auf der Shutdown Leitung bereits erfolgt sein Im Test wurde der Messstrom mit dem Netzger t und einem passenden Widerstand eingestellt die umgewandelte Ausgangsspannung f r den PIC Eingang konnte wieder ber das Multimeter entnommen und ausgewertet werden Weiters interessant war der Einbau der RS232 Schnittstelle mit dem Transceiver IC DS275 Mit der fertigen Best ckung der seriellen Schnittstelle wurden mit Hilfe des PI
45. werden Der Treiberbaustein TC4427A zur Ansteuerung der beiden BUZ102 Transistoren wurde m glichst nahe oberhalb des PIC platziert Vom Mikroprozessor f hren zwei Ausgangsleitungen zum TC4427A welche beide PWM Signale bertragen das hei t die Leitungen sollen kurz und kreuzungsfrei verlegt werden Zun chst mussten daher die PWM Leitungen vom PIC zum Treiberbaustein und weiters direkt zu den beiden Transistoren des Typ BUZ102 verbunden werden Weiters wurden die Ausg nge der Strom und Spannungsmessungen zum Mikrokontroller gelegt Dabei wurde der Bereich um die PWM Leitungen gemieden um die St rungen sehr gering zu halten Es fehlt noch die Shutdown Leitung zu den Messkomponenten f r Str me und Spannungen au erdem m ssen die Schnittstellen und die Spannungsregler auf der Leiterplatte eingeplant werden Daf r wurden zwei einstellbare Spannungsregler vom Typ LT1129 von Linear Technologies verwendet Die Au enbeschaltung besteht aus zwei Kondensatoren und zwei Widerstanden zur Spannungseinstellung welche f r 5 V und 12 V passende Werte besitzen m ssen Die Spannungsregler befinden sich in einem TO 220 Geh use mit 5 Anschl ssen und wurden im rechten unteren Eck der Leiterplatte rechts neben dem PIC eingebaut Die Ausgangsleitungen sind m glichst dick zu allen Bauteilen verlegt worden abschlie end mussten noch die beiden Schnittstellen RS232 und ICD2 am unteren Rand der Platine platziert werden ICD2 ben tigt nur wenige Bauteile i
46. xternal Oscillator 10 MHz HS t Bank 1 Decimals 64 to configure Baudrate for 9 6k Highspeed set Transmit enable and High Baudrate Sel Bit in Transmit Status and Control Register selec enabl t Bank 0 es serial port and receive clear RCIF select Bank 1 select RAO as an Analog input Result left justified 8bit voltage reference VDD and VSS select Bank 0 select PIN RAO and set ADC ready and Fosc 16 230 Diplomarbeit PWM und Interrupts BSF BCF MOVLW MOVWF BCF BCF MOVLW MOVWF BSF BCF Init special register BCF BCF MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF MOVLW STATUS RPO STATUS RP1 Ox3F PR2 STATUS RPO STATUS RP1 0x2D CCPRIL b 01111100 T2CON 12 CCPICON STATUS RPO STATUS RP1 STATUS RPO STATUS RP1 4 delayer OxE6 peak_voltage 0x22 peak_current b6 00000001 toggler b 00000010 marker b 00000000 marker_usart Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Redl Bank select select Bank ne select set PWM Periode Bank 0 Bank 0 select Duty Cycle starting value TMR2 on configure CCP as PWM select Bank select Bank select Bank 0 s
47. zum Belichten angefertigt Zweifacher Ausdruck deshalb da im ersten Versuch die Belichtung schlecht war das hei t der Kontrast zwischen Leiterbahnen und dem Rest war nicht stark genug Zwei Folien pro Seite minimieren die Fehler beim Belichten die Leiterplatte wird dabei an den Ecken in die Tasche geklebt um Verrutschen bei der Fertigung zu verhindern Die ideale Belichtungszeit betr gt ca acht Minuten bei Verwendung des fotolackvorbeschichteten Rohmaterials von Conrad Nach dem Entwickeln wurde die Leiterplatte im tzbad ca 25 30min behandelt den genauen Zeitpunkt f r das Entnehmen aus dem tzbad muss man gegen Ende st ndig kontrollieren und selbstst ndig entscheiden Sobald alle Leiterbahnen optimal erkennbar sind d h es gibt keine Kurzschl sse zwischen verschiedenen Leiterbahnen oder Fl chen wird die Leiterplatte entnommen und abgesp lt Danach wurden alle Durchgangsl cher mit einem 0 9 mm Bohrer gebohrt f r die Klemmen und die Spulenanschl sse musste ein 1 mm Bohrer verwendet werden Abschlie end wurden beide Seiten hintereinander mit L tlack bespr ht und danach je 40 Minuten pro Seite im Ofen getrocknet Dadurch war die Leiterplatte f r die Best ckung und anschlie ende Tests vorbereitet Die Best ckung wurde in mehreren Schritten durchgef hrt um die Komponenten in der Leiterplatte testen zu k nnen Abschlie end wurde die PIC Software in der fertigen Platine durchgetestet und erweitert Die Abbildungen 58 u
48. 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 Schnelllaufzahl 3 Om a 50hm 7 Om x 10 Ohm x 15 Ohm e 20 Ohm 30 Ohm 40 Ohm Polynomisch 7 Ohm Polynomisch 40 Ohm Polynomisch 20 Ohm Polynomisch 15 Ohm Polynomisch 30 Ohm Polynomisch 30 Ohm Abb 65 Belastungsdiagramm Die Analyse der Messwerte mit dem Leistungspotentiometer brachte einige neue Informationen Es zeigt sich deutlich dass die Belastung mit 3 5 oder 7 Q zu hoch ist und daher nur einen geringen c Wert erzielt Mit einer Belastung von 15 und 20 Q wurden die besten Ergebnisse erzielt es wurde ein Wirkungsgrad von bis zu 11 erreicht 40 QO hingegen waren wieder eine deutlich zu geringe Belastung und der Wirkungsgrad fiel wieder ab 6 3 Messung mit MPPT Nachdem die Kennlinie des Rotors samt Generator aufgezeichnet war wurde nun der Savonius Oben Ohne auch mit dem Maximum Power Point Tracker getestet um das Programm an den Rotor anzupassen Team Savonius 101 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 66 MPPT im Savonius Bei diesen Messungen wurde statt der Spannungs und Strom Werten am Generator die Spannung an den Akkumulatoren und der Ladestrom in diese gemessen um die Leistung des Gesamtaufbaus und dadurch den Gesamtwirkungsgrad zu erhalten Die Tabelle sieht diesmal wie folgt aus rt Ou x E oO x D e x E 2 E lt D 3 D E oD o Ei 3 N gt T se c ki E 5 5 D E D zz
49. 0 W 18 m s 2529 92 W 404 79 W 19 m s 2975 43 W 476 07 W 20 m s 3470 40 W 555 26 W Tab 8 Leistungstabelle Team Savonius 47 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Die Formel zur Windleistung wurde bereits im Kapitel 2 3 1 erklart P D v 3 A 7 pv Um die Nutzleistung berechnen zu k nnen wird die Windleistung mit dem Wirkungsgrad multipliziert Team Savonius 48 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 4 3 Fertigung Bei der Fertigung stand die bestens ausgestattete Werkstatt der Firma Werfring zur Verf gung Zum einfachen Verst ndnis sind die einzelnen Arbeitsschritte nicht immer in chronologischer Reihenfolge angef hrt Das kommt daher dass fters Maschinen besetzt waren oder Material noch nicht eingetroffen war und so an anderen Stellen weitergearbeitet wurde Bei einer zeitlich geordneten Aufz hlung der Arbeiten w rde man schnell die bersicht verlieren Sinnlos und nicht zweckm ig w re auch ein Erw hnen von Arbeiten wie Entgraten Senken Schwei n hte putzen oder Fasen schneiden Diese T tigkeiten wurden wann immer notwendig durchgef hrt 4 3 1 Rotor Steifigkeitsscheiben Zwei Blechst cke mit den Ma en 250 mmx250 mm wurden grob mit einer elektrischen Blechschneidemaschine ausgeschnitten Auf ihnen wurden die Kreise mit dem Durchmesser 245 mm mit einem Zirkel angerissen und die Bleche ungef hr auf Kreisform zugeschnitten In der Mitte entstand ein Stanzloch mit dem Durchmesser 4
50. 0V 16 38W 190 43 W 8 60 158 1 min 4 96 m s 7 1m s 0 70 0 54A 25 7V 13 88W 155 26 W 8 94 155 1 min 4 87 m s 9 0 m s 0 54 046A 254 V 11 68W 316 24 W 3 69 218 1 min 6 85 m s 8 1 m s 0 85 0 77A 26 1V 20 10W 230 54 W 8 72 200 1 min 6 28 m s 84 m s 0 75 0 64A 26 1V 16 70W 257 11W 6 50 246 1 min 7 73 m s 8 1m s 0 95 0 83A 26 6 V 22 08W 230 54 W 9 58 230 1 min 7 23 m s 9 1m s 0 79 0 78A 26 6V 20 75W 326 90 W 6 35 254 1 min 7 98 m s 9 1 m s 0 88 089A 26 7 V 23 76W 326 90 W 7 27 232 1 min 7 29 m s 8 0 m s 0 91 0 58A 26 5V 15 37W 222 11 W 6 92 243 1 min 7 63 m s 82 m s 0 93 0 99A 26 6 V 26 33W 239 18 W 11 01 252 1 min 7 92 m s 8 1m s 0 98 0 96 A 26 8V 25 73W 230 54 W 11 16 137 1 min 4 30 m s 8 1m s 0 53 042A 25 1V 10 54W 230 54 W 4 57 200 1 min 6 28 m s 8 3 m s 0 76 0 78A 25 4 V 19 81 W 248 04 W 7 99 214 1 min 6 72 m s 8 3 m s 0 81 0 75A 25 7V 19 28W 248 04 W 7 11 e Team Savonius 144 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 260 1 min 8 17 m s 9 5 m s 0 86 1 15A 266V 3059W 371 93 W 8 22 271 1 min 8 51 m s 10 0 m s 0 85 0 97A 26 7 V 25 90 W 433 80 W 5 97 266 1 min 8 36 m s 8 3m s 1 01 0 79A 26 7 V 21 09W 248 04 W 8 50 226 1 min 7 10 m s 88m s 0 81 0 81A 26 5V 21 47W 295 62 W 7 26 202 1 min 6 35 m s 8 1 m s 0 78 0 78A 26 3 V 20 51 W 230 54 W 8 90 156 1 min 4 90 m s 6 7 m s 0 73 0
51. 2 4600 Wels www conrad at 235
52. 2 mm Um runde Scheiben zu erhalten wurden diese Bleche auf einer Drehbank bearbeitet Da die Bleche aber nur 3mm dick waren konnten sie nicht direkt eingespannt werden Es musste zuerst ein Plastikzylinder bearbeitet werden auf dem die Bleche aufgesteckt wurden und damit gemeinsam in der Drehmaschine eingespannt werden konnten Hierzu wurde auf dem Zylinder ein 2 5 mm langer Absatz mit dem Durchmesser 42 mm gedreht auf dem die Bleche befestigt wurden Auf der anderen Seite sorgten ein Kunststoffzylinder und ein Rollk rner f r die n tige Stabilit t Die Spannvorrichtung ist in Abbildung 34 und 35 zu sehen Nachdem durch das Drehen runde Scheiben entstanden waren wurde das Bohrbild gefertigt Team Savonius 49 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 34 und 35 Bearbeitung der Steifigkeitscheiben Teller Die Teller sollten wie die Steifigkeitsscheiben an der Drehbank gefertigt werden Allerdings war der Abstand zwischen Spannfuttermittelounkt und F hrung des Werkzeugschlittens zu gering Deshalb wurden die drei Scheiben mit einem Plasmaschneider siehe Abbildung 36 und 37 bei 60 A aus einem gro en Blechst ck ausgeschnitten Der Plasmaschneider wurde durch ein Gest nge mit einer zuvor angefertigten Bohrung im Mittelpunkt der Scheibe verbunden Wichtig bei der Fertigung war exakt runde Scheiben zu erhalten da anderenfalls der Rotor unrund laufen w rde Abb 36 und 37 Plasmaschneider und Gest nge Das Stanzw
53. 22W 248 04W 2 10 45 1 min 1 41m s 5 5m s 0 26 25V 0 36A 0 90W 72 17W 1 25 80 1 min 2 51m s 7 0m s 0 36 5 0V 0 74A 3 70W 148 79W 2 49 78 1 min 2 45m s 7 0m s 0 35 5 0V 0 76A 3 80W 148 79W 2 5 60 1 min 1 88m s 6 3mis 0 30 36v 0 52A 1 87W 108 47W 1 73 65 1 min 2 04m s 6 2mis 0 33 36v 053A 1 91W 103 39W 1 85 90 1 min 2 83m s 7 1mis 0 40 5 7V 0 85A 4 85W 155 26W 3 12 60 1 min 1 88m s 63m s 0 30 39V 0 57A 2 22W 108 47W 2 05 130 1 min 4 08m s 8 5 m s 0 48 9 1V 1 32A 12 01 W 266 41W 4 51 90 1 min 2 83m s 6 8mis 0 42 5 9V 0 85A 5 02W 136 40W 3 68 80 1 min 2 51m s 6 0m s 0 42 47v 0 70A 3 29W 93 70W 3 51 100 120 1 min 3 77m s 7 9m s 0 48 90V 0 90A 8 10W 213 88W 3 79 140 1 min 4 40m s 7 7 m s 0 57 11 5V 1 30A 14 95 W 198 04W 7 55 220 1 min 6 91 m s 10 3 mis 0 67 18 2 V 2 04A 37 13W 474 02W 7 83 150 82 1 min 2 58m s 63m s 041 60V 0 88A 4 08W 108 47 W 3 76 300 1 min 9 42m s 10 9 m s 0 86 22 6 V 2 40A 54 24W 561 78W 9 65 270 1 min 8 48m s 10 0 m s 0 85 20 0 V 2 20A 44 00W 433 80 W 10 14 240 1 min 7 54m s 9 3mis 0 81 18 5V 2 06A 38 11 W 348 93 W 10 92 190 1 min 5 97 m s 7 8 m s 0 77 13 8V 1 52A 20 98 W 205 86 W 10 19 240 1 min 7 54m s 11 0 mis 0 69 20 8 V 2 30A 47 84W 577 39 W 8 29 270 1 min 8 48m
54. 237 5dm Viene 3 ldm 77 0 02dm 0 6dm Va 1 225dm 7 0 03dm 0 14143dm3 Mai 0 02dm Ves 0 42375dm3 4 0 6dm3 3 0 14143dm3 2 Ve 3 77786dm gt Rotorblatt m V p 3 71786dm3 7 9 8 dm m 29 845kg Die Masse von Rotor und Welle betr gt somit rund 47 kg Foes M g 47kg 9815 Fo 461 07N Die Gleichgewichtsbedingungen f r dieses System lauten gt fF 0 F F F DR 0 Foy Fs gt M 0 Fp h Fy l F r Fey wird ein neuer Ausdruck gesucht um ihn in die Gleichgewichtsbedingung der Momente einsetzen zu k nnen und es so m glich ist Fa zu bestimmen Dies zeigt folgende Berechnung Team Savonius 36 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Pa Pe E HEEN Pot F Pod SECH Fy lh Fyoh Fach F Fy L Fy L I F 447 1N 350mm 447 1 N 993mm 350mm F 821 4N Mit der Gleichgewichtsbedingung der Kr fte in Y Richtung kann nun Fp berechnet werden Fy Fy F F 447 1N 821 4N Fp 1268 5N Da in x Richtung nur die Gewichtskraft das Lager B belastet entspricht Fs der Gewichtskraft Lebensdauer F r die Lebensdauer des Lagers wurden folgende Berechnungen ausgef hrt C D E P 10 Lio 60 n 10h Lio und Lion hei en nominelle Lebensdauer und haben die Einheiten 10 Umdrehungen beziehungsweise Stunden h Lio gibt an wie viele Umdrehungen das Lager mindestens berlebt Lion gibt die entsprechende Stundenanzahl an C is
55. 4 m s 7 0m s 0 76 14 0 V 0 70A 9 80W 148 79W 6 59 128 1 min 4 02 m s 5 3m s 0 76 10 4 V 0 52 A 5 41 W 64 58 W 8 37 111 1 min 3 49 m s 6 3m s 0 55 91V 0 42A 3 82 W 108 47W 3 52 150 1 min 4 71 m s 7 8m s 0 60 12 1V 0 63 A 7 62W 205 86W 3 70 145 1 min 4 56 m s 6 0 m s 0 76 11 5V 0 58 A 6 67 W 93 70W 7 12 154 1 min 4 84 m s 7 3m s 0 66 12 6 V 0 65 A 8 19W 168 76 W 4 85 190 1 min 5 97 m s 7 5m s 0 80 15 6 V 0 80A 12 48 W 183 01 W 6 82 215 1 min 6 75 m s 7 0m s 0 96 12 9V 0 85A 10 97 W 148 79W 7 37 30 Q 470 1 min 14 77 m s 12 3 m s 1 20 42 9V 1 50A 64 35 W 807 24 W 7 97 350 1 min 11 00 m s 11 5 m s 0 96 30 0 V 1 57 A 47 10 W 659 76 W 7 14 140 1 min 4 40 m s 6 5 m s 0 68 14 0 V 0 50 A 7 00W 119 13W 5 88 148 1 min 4 65 m s 5 6m s 0 83 12 7V 0 42 A 5 33 W 76 18 W 7 00 80 1 min 2 51 m s 4 8 m s 0 52 7 0V 0 22A 1 54 W 47 97 W 3 21 52 1 min 1 63 m s 4 3 m s 0 38 66V 0 20A 1 32W 3449W 3 83 280 1 min 8 80 m s 9 3m s 0 95 25 3 V 0 90 A 22 77 W 348 93W 6 53 250 1 min 7 85 m s 7 7 m s 1 02 23 3V 0 78A 18 17W 198 04 W 9 18 340 1 min 10 68 m s 11 2 m s 0 95 30 5 V 1 04A 31 72W 609 46 W 5 20 Team Savonius 137 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl
56. 41 80 1 min 2 51 m s 8 3 m s 0 30 0 14A 24 6 V 3 44W 248 04 W 1 39 165 1 min 5 18 m s 9 0 m s 0 58 0 63A 24 7V 15 56W 316 24 W 4 92 240 1 min 7 54 m s 95m s 0 79 0 99A 24 7V 24 45W 371 93 W 6 57 230 1 min 7 23 m s 85 m s 0 85 0 63A 24 8V 15 62W 266 41 W 5 86 180 1 min 5 65 m s 9 0m s 0 63 0 68A 24 7V 16 80 W 316 24 W 5 31 105 1 min 3 30 m s 8 4m s 0 39 0 25A 24 7V 6 18W 257 11 W 2 40 70 1 min 2 20 m s 75m s 0 29 0 07A 24 6 V 1 72W 183 01 W 0 94 78 1 min 2 45 m s 75m s 0 383 0 13A 24 6 V 3 20 W 183 01 W 1 75 76 1 min 2 39 m s 73m s 0 383 0 13A 24 6 V 3 20W 168 76 W 1 90 78 1 min 2 45 m s 7 2m s 0 384 0 14A 24 6 V 3 44W 161 91 W 2 13 75 1 min 2 36 m s 6 0 m s 0 39 0 18A 24 6 V 4 43 W 93 70 W 4 73 e Team Savonius 139 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 130 1 min 4 08m s 85m s 0 48 0 33A 24 7V 815W 266 41 W 3 06 155 1 min 4 87 m s 9 5m s 0 51 0 42A 24 7V 10 37 W 371 93 W 2 79 382 1 min 12 00 m s 11 0 m s 1 09 1 54A 24 9V 38 35W 577 39W 6 64 180 1 min 5 65m s 9 0m s 0 63 0 71A 24 8V 17 61W 316 24 W 5 57 230 1 min 7 223 m s 10 0 m s 0 72 0 90A 24 8V 22 32W 433 80 W 5 15 240 1 min 7 54 m s 10 3m s 0 73 0 53 A 24 8V 13 14W 474 02 W 2 77 228 1 min 7 16m s 10 8m s 0 66 0 76A 24 8V 18 85W
57. 44A 25 7 V 11 31 W 130 47 W 8 67 Team Savonius 145 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang F Konstruktionszeichnungen Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 26 Seiten St ckliste Team Savonius 147 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 148 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 149 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 150 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 151 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 152 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 153 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 154 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 155 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 156 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 157 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 158 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 159 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 160 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 161 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 162 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 163 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Team Savonius 164 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger
58. 546 46 W 3 45 262 1 min 8 23 m s 10 0 m s 0 82 1 00A 24 8V 24 80 W 433 80 W 5 72 224 1 min 704m s 85m s 0 83 0 70A 24 8V 17 36W 266 41 W 6 52 138 1 min 4 34 m s 80 m s 0 54 0 36A 24 8V 893W 222 11W 4 02 200 1 min 6 28m s 9 0 m s 0 70 0 86A 24 8V 21 33W 316 24 W 6 74 230 1 min 7 23m s 80 m s 0 90 0 76A 24 8V 18 85W 222 11 W 8 49 220 1 min 6 91 m s 10 0 m s 0 69 0 74A 24 8V 18 35W 433 80 W 4 23 215 1 min 6 75m s 9 1m s 0 74 0 80A 24 9V 19 92W 326 90 W 6 09 190 1 min 5 97 m s 89m s 0 67 0 48A 24 8V 11 90W 305 82 W 3 89 130 1 min 4 08m s 7 8m s 0 52 0 30A 24 7V 7 41 W 205 86 W 3 60 115 1 min 3 61 m s 80m s 0 45 0 31A 24 7V 7 66W 222 11W 3 45 70 1 min 220m s 7 0m s 0 31 0 10A 24 7V 247W 148 79W 1 66 160 1 min 5 03m s 9 0m s 0 56 0 59A 24 8V 14 63W 316 24 W 4 63 170 1 min 5 34m s 92m s 0 58 0 47A 24 8V 11 66 W 337 79W 3 45 240 1 min 7 54 m s 10 8m s 0 70 1 01A 24 9V 25 15W 546 46 W 4 60 255 1 min 8 01 m s 10 0 m s 0 80 1 23A 24 9V 30 63W 433 80 W 7 06 230 1 min 723m s 9 5m s 0 76 0 89A 24 9V 22 16W 371 93 W 5 96 170 1 min 5 34 m s 80 m s 0 67 0 67A 24 8V 16 62W 222 11W 7 48 150 1 min 4 71 m s 85m s 0 55 0 52A 24 8V 12 90W 266 41 W 4 84 120 1 min 3 77 m s 80m s 0 47 0 35A 24 8V 868W 222 11W 3 91 200 1 min 6 28m s 9 5m s 0 66 0 73A 24 8V 18 10W 371 93 W 4 87 210 1 min 6 60 m s 9 7 m s 0 68 0
59. 56 m s 7 7 m s 0 72 15 3V 0 39 A 5 97W 198 04W 3 01 176 1 min 5 53 m s 6 5 m s 0 85 15 5 V 0 39 A 6 05W 119 13W 5 07 142 1 min 4 46 m s 6 3m s 0 71 12 3V 0 32 A 3 94 W 108 47 W 3 63 152 1 min 4 78 m s 6 6 m s 0 72 13 6 V 0 35 A 4 76W 124 72W 3 82 185 1 min 5 81 m s 7 6 m s 0 76 16 4 V 0 49 A 8 04 W 190 43 W 4 22 Team Savonius 138 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MPPT mit 48 Anderungen pro Sekunde u 5 sp Sz BE g Ed 4 8 ac S z 3 Jg5gg 98 D 2 gt DEF OE e Z 2 35 29 a sa EZS E83 o2 ge Ja a2s5 ESO 2 eS 595 53 l GHA GE 33335 BGs 90 1 min 2 83 m s 7 4m s 0 388 0 22A 24 5 V 5 39 W 175 79 W 3 07 110 1 min 3 46 m s 8 0 m s 0 43 0 34A 24 6 V 8 36W 222 11 W 3 77 115 1 min 3 61 m s 75m s 0 48 025A 24 5 V 6 13 W 183 01 W 3 35 80 1 min 2 51 m s 6 8 m s 0 37 0 17A 24 5 V 4 17W 136 40 W 3 05 70 1 min 2 20 m s 7 1 m s 0 31 0 15A 24 5V 3 68 W 155 26 W 2 37 90 1 min 2 83 m s 7 0 m s 0 40 0 18A 24 5V AAT WI 148 79W 2 96 70 1 min 2 20 m s 6 5 m s 0 34 0 11A 24 5 V 2 70W 119 13 W 2 26 130 1 min 4 08 m s 75m s 0 54 0 43A 24 6V 10 58W 183 01 W 5 78 88 1 min 2 76 m s 73m s 0 388 0 17A 24 5 V 4 17W 168 76 W 2 47 110 1 min 3 46 m s 75m s 0 46 0 26A 24 6
60. 75 1 min 2 36 m s 7 6 m s 0 31 0 14A 24 7 V 3 46 W 190 43 W 1 82 58 1 min 1 82 m s 6 0 m s 0 30 0 04A 24 7V 099W 93 70W 1 05 84 1 min 2 64 m s 6 8 m s 0 39 045A 25 2V 11 34W 136 40 W 8 31 139 1 min 4 37 m s 80m s 0 55 0 18A 24 5V 441W 222 11W 1 99 208 1 min 6 53 m s 8 8 m s 0 74 052A 25 0V 13 00W 295 62 W 4 40 224 1 min 7 04m s 92mis 0 76 0 64A 25 4V 16 26W 337 79 W 4 81 262 1 min 8 23 m s 9 4m s 0 88 0 78A 25 7V 20 05 WI 360 31 W 5 56 226 1 min 7 10 m s 8 2m s 0 87 0 71A 25 8 V 18 32 W 239 18 W 7 66 268 1 min 8 42 m s 7 2m s 1 17 0 51A 254V 12 95W 161 91 W 8 00 70 1 min 2 20 m s Zimier 0 31 0 10A 25 0V 2 50W 155 26 W 1 61 88 1 min 2 76 m s 7 0m s 0 39 0 10A 25 0V 250W 148 79 W 1 68 149 1 min 4 68 m s 8 8 m s 0 53 0 15A 25 0V 3 75W 295 62 W 1 27 116 1 min 3 64 m s 7 6m s 0 48 0 54A 25 3 V 13 66 W 190 43 W 7 17 97 1 min 3 05 m s 7 2m s 0 42 028A 25 2V 706W 161 91 W 4 36 134 1 min 4 21 m s 8 4m s 0 50 0 45A 25 2 V 11 34W 257 11 W 4 41 172 1 min 5 40 m s 7 9m s 0 68 0 55A 25 2 V 13 86 W 213 88 W 6 48 202 1 min 6 35 m s 9 1 m s 0 70 068A 25 5 V 17 34W 326 90 W 5 30 220 1 min 6 91 m s 9 4m s 0 74 0 95A 26 0V 24 70W 360 31 W 6 86 248 1 min 7 79m s 9 2m s 0 85 1 17A 26 2 V 30 65 W 337 79 W 9 07 284 1 min 8 92 m s 8 5m s 1 05 0 93A 26 3 V 24 46 W 266 41 W 9 18 248 1 min 7
61. 79 m s 10 0 m s 0 78 0 97A 26 2 V 25 41 W 433 80 W 5 86 222 1 min 6 97 mis 8 3 m s 0 84 059A 25 6 V 15 10W 248 04 W 6 09 166 1 min 5 22 m s 9 6m s 0 54 0 74A 25 5V 18 87 W 383 80 W 4 92 261 1 min 8 20 m s 9 2m s 0 89 0 95A 26 3 V 24 99W 337 79 W 7 40 123 1 min 3 86 m s 8 2m s 0 47 0 30A 25 1V 7 53W 239 18 W 3 15 114 1 min 3 58m s 9 0m s 0 40 0 29A 25 2 V 7 31 W 316 24 W 2 31 292 1 min 9 17 m s 10 3 m s 0 89 1 19A 25 9V 30 82W 474 02 W 6 50 234 1 min 7 35 m s 8 0m s 0 92 0 20A 24 9V 498W 222 11 W 2 24 232 1 min 7 29m s 8 4m s 0 87 0 54A 25 6 V 13 82 W 257 11 W 5 38 172 1 min 5 40 m s 6 5m s 0 83 0 44A 25 2 V 11 09W 119 13W 9 31 160 1 min 5 03 m s 8 1 m s 0 62 0 51A 252V 12 85W 230 54 W 5 57 272 1 min 8 55 m s 9 8m s 0 87 0 96A 26 0V 24 96 W 40829 W 6 11 256 1 min 8 04m s 8 8 m s 0 91 098A 25 9V 25 38 W 295 62 W 8 59 250 1 min 7 85 m s 83m s 0 95 1 00A 26 0V 26 00W 248 04 W 10 48 256 1 min 8 04 m s 8 4Amis 0 96 0 83A 26 2V 21 75W 257 11 W 8 46 194 1 min 6 09 m s 8 0m s 0 76 0 80A 25 3V 20 24W 222 11 W 9 11 136 1 min 4 27 m s 82m s 0 52 0 45A 25 0V 11 25W 239 18 W 4 70 127 1 min 3 99 m s 7 1m s 0 56 0 30A 25 0V 750W 155 26 W 4 83 152 1 min 4 78m s 7 7 m s 0 62 0 35A 25 1V 879W 198 04 W 4 44 141 1 min 4 43m s 7 1m s 0 62 042A 25 2V 10 58W 155 26 W 6 82 124 1 min 3 90 m s
62. 83A 24 9V 20 67W 395 92 W 5 22 215 1 min 6 75m s 9 2m s 0 73 0 88A 24 9V 21 91W 337 79W 6 49 205 1 min 644m s 9 2m s 0 70 0 83A 24 9V 20 67W 337 79W 6 12 180 1 min 5 65m s 7 5m s 0 75 0 67A 24 9V 16 68W 183 01 W 9 12 140 1 min 440m s 7 0m s 0 63 0 69A 24 9V 17 18W 148 79W 11 55 170 1 min 5 34m s 9 0m s 0 59 0 65A 24 9V 16 19W 316 24 W 5 12 150 1 min 4 71 m s 80 m s 0 59 0 47A 24 8V 11 66W 222 11W 5 25 130 1 min 4 08m s 85m s 0 48 0 45A 24 8V 11 16W 266 41 W 4 19 200 1 min 6 28m s 9 5m s 0 66 0 65A 24 8V 16 12W 371 93 W 4 33 145 1 min 4 56m s 88m s 0 52 0 47A 24 8V 11 66W 295 62 W 3 94 210 1 min 6 60 m s 10 0 m s 0 66 0 85A 24 9V 21 17W 433 80 W 4 88 200 1 min 6 28m s 9 5m s 0 66 0 75A 24 9V 1868W 371 93 W 5 02 65 1 min 2 04m s 6 3m s 0 32 0 12A 24 8V 298W 108 47W 2 74 80 1 min 2 51m s 5 0m s 0 50 0 12A 24 8V 298W 5423W 5 49 180 1 min 5 65 m s 83m s 0 68 0 67A 24 9V 16 68W 248 04 W 6 73 70 1 min 2 20 m s 6 0 m s 0 37 0 07A 24 8V 1 74W 93 70W 1 85 Team Savonius 140 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MPPT mit 2 Anderungen pro Sekunde s 3 E e e 5E 8 S E 1 E K 5 59 SES S Sa St POSE Sot 50 ozo ES SE od 2510 ER B ER efx 55 sz cx o2 VZV ocra Ki o 2 SoD oo lt ect JS o500 Zoe 2 ge gt 95 EX amp S 4353 Es Sa d 59 So
63. Cs die gemessenen Strom und Spannungswerte in Hex Code zum PC bertragen Nach positiver Auswertung wurde die Leiterplatte abschlie end nach Plan fertig best ckt und gel tet Nachdem letzte optische Kontrollen an der fertig best ckten Leiterplatte vorgenommen wurden musste ab nun der Programmablauf der MPPT Regelung getestet werden Die Eingangsspannung wurde in der Testphase mit einem Solarpanel simuliert ansonsten waren alle anderen Leiterplattenkomponenten fertig Team Savonius 84 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Das Solarpanel wurde von unserem Betreuer DI Martin Meschik zur Verf gung gestellt und hat folgende Kenndaten Solarpanel Sunline Solarmodul MAP 50 Maximale Leistung 50 W Kurzschlussstrom 3 1A Nennstrom 2 81 A Nennspannung 17 1V Leerlaufspannung 21 1V Umgebungstemperatur 40 bis 85 Gewicht 6 2 kg AbmaBe L x B x H 995 x 450 x 35 mm Tests mit dem Solarpanel Die Tests mit dem Solarpanel wurden ausgef hrt um etwaige Fehler im Programm zu beheben und weiter zu optimieren Das Programm welches genauer in Kapitel 5 5 erkl rt wird wurde mittels ICD2 im Debugg Modus betrieben um so die Fehler Schritt f r Schritt auszubessern Das Solarpanel wurde ausschlie lich zum Korrigieren von grunds tzlichen Fehlern in der Regelung verwendet die Feineinstellung der Elektronik konnte allerdings nicht mit dem Solarmodul abgeschlossen werden Grund daf r ist d
64. Dank gilt DI Roland Glas der uns jederzeit Tipps zur Motorauswahl und den Tests mit dem Savoniusrotor lieferte Die Fertigung der Leiterplatte wurde mit Hilfe von Fachlehrer Johannes Stehlik und Fachlehrer Martin Sommer durchgef hrt Mit passender Fachliteratur wurden wir von DI Roland Glas und DI Martin Meschik versorgt au erdem durften wir eine Kopie der Hausarbeit ber Messung der technischen Daten von Vertikalachsen Windrotoren von Henry Grootmaack verwenden Abschlie end wurde der Ausdruck der Diplomarbeit dankbarer Weise von AV Astoria Druckzentrum GmbH bernommen Besonderer Dank gilt Silvia Redl die unser Team w hrend der Planungs und Testphase in Edelstal immer gerne mit Speis und Trank versorgt hat Zum Schluss bedanken wir uns das Team Savonius noch bei allen Kollegen und Helfern die nicht namentlich erw hnt wurden aber wesentlich zu unserer Arbeit beigetragen haben Inhaltsverzeichnis EIRIEITUNG E 1 a EE EE 1 12 AMOUVGIOM EE 1 E GE 2 2 Der SavoniUSrotor EEN 3 2e elle Ee EE 3 e e LE 3 EN EE 4 2 3 1 Die elementare Impulstheorie nach Betz 4 2 3 2 SUOMUNGQSWIdEISIANd E 7 2 3 3 Schnelllaufzahl cate oon als Veta tains eure 9 3 Mendes 10 Site SZIEISEIZUNd see eine 10 3 2 eet EE 10 E ETET EI Lee EE 9 fare acne ere Se 10 Oe e 11 E NS ETE theue reese en taia E T EA 14 32 4 Windleitsch ufeln u 2 2 eu 2eeeeeniieleiiichibeen 14 3232 HR TRUM Beete ee 17 BI EEN 17 e Eegen 17
65. Diplomarbeit SAVONIUSROTOR MIT S MAXIMUM POWER POINT TRACKER Ausgef hrt an der H heren Technischen Bundeslehranstalt Wien 3 Rennweg Abteilung f r Mechatronik durch Daniel Grohs Koloman Klimpfinger PL Harald Lerch Patrick Redl unter der Leitung von DI Martin Meschik DI Karl Allabauer Wien Mai 2006 Eidesstattliche Erklarung Wir erkl ren an Eides statt dass wir die vorliegende Arbeit selbstst ndig und ohne fremde Hilfe verfasst haben Andere als die angegebenen Quellen wurden nicht ben tzt und die den benutzten Quellen w rtlich oder inhaltlich entnommenen Stellen haben wir als solche kenntlich gemacht Wien am 19 Mai 2006 Daniel Grohs Koloman Klimpfinger PL Harald Lerch Patrick Redl Kurzfassung Grundidee der Diplomarbeit war die optimale Nutzung eines Savoniusrotors als alternative Energiequelle zum Laden eines Akkumulators ber einen Maximum Power Point Tracker MPPT Der Savoniusrotor besteht aus zwei S f rmig angeordneten Rohrh lften die um 20 30 zueinander versetzt sind Um den Rotor windrichtungsunabh ngiger und leistungsf higer zu machen wird ein weiteres Rotorpaar um 90 verdreht dar ber angebracht Mit der aus dem Wind gewonnenen Energie treibt der Rotor einen Gleichstromgenerator an um elektrischen Strom zu erzeugen Der Maximum Power Point Tracker besteht aus einem Step Up Converter und einem Mikrokontroller der diesen berwacht und regelt Der Step Up Converter wa
66. Messdatenerfassung 01_Werte gefiltert xls Ein leeres Tabellenblatt erm glicht die Ausfilterung der brauchbaren Daten aus dem txt File vom Hyperterminal Zuerst m ssen mittels Strg H alle FF durch leere Zellen ersetzt werden weiters kann man alle Nicht Leeren Felder durch Autofilter ausw hlen und erneut in einem txt File speichern 02_HEX Werte filtern xls In der zweiten Tabelle werden die gefilterten Daten aus Tabelle 01 in Eingangsspannung Eingangsstrom Ausgangsspannung und strom unterteilt die erhaltenen Werte k nnen abschlie end wieder mit Hilfe des Autofilters in Tabelle 01 ausgefiltert werden Dazu m ssen alle Nicht Leeren Zellen erneut in einem txt File gesichert werden 03_HEX2DEZ xIs Die Tabelle ben tigt das Add in Analyse Funktionen in Microsoft Excel vorinstalliert anschlie end werden die gefilterten Daten schrittweise als HEX eingef gt und die automatisch umgerechneten DEZ Daten k nnen f r Tabelle 04 weiter kopiert werden 04_Messdatenerfassung xls Die eigentliche Auswertung der Daten erfolgt erst in Tabelle 04 dazu bendtigt man die getrennten gefilterten Dezimalwerte fur Ein und Ausgang Die Datei enthalt samtliche Diagramme zu Str6men und Spannungen vom MPPT weiters wird die Leistung errechnet und ausgegeben AbschlieBend gibt es in jeder Graphik die passende Trendlinie Gleitender Durchschnitt und die Tabellen liefern alle umgerechneten Messwerte sowohl graphisch als auch i
67. Null sein Umgeformt ergibt sich eer re Le X p 48N 2100mm 447N 1125mm 2 23N 375mm E 1581 3mm F 924N Wges Die Masse des Savoniusrotors Oben Ohne betr gt 135 kg m Foy m 8 135kg 9 8175 1324N Damit der Rotor nicht kippt muss das Moment verursacht durch die Gewichtskraft gr er sein als das vom Wind erzeugte Moment M gew M wing b Foew T er x A E ee b z Ww Cy A tes A l 2 Ges Al De Ree x 2 x Pay SC Vy lt Fee ZZ Zr ECH E ee rer E EE vV lt er 1324N 0 5m 5 1 115 0 72m 2 1m 1 1 0 75m 1 125m 2 1 36 0 0375m 0 375m m pp ds Ver 2505 A Ohne Niederspannen kippt der Rotor bei einer Windgeschwindigkeit von etwa 20 m s Team Savonius 45 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Um die Standfestigkeit auch bei h heren Windgeschwindigkeiten zu gew hrleisten wurden vier Stahlseile die je 80kg also Fs 784 8N aushalten k nnen zum Niederspannen verwendet Ab einer Windgeschwindigkeit von rund 20 m s m ssen die Stahlseile das restliche auftretende Moment aufnehmen Da stets mindestens zwei Stahlseile in Windrichtung stehen gilt 2 F b 2 F h h AF A I seil h Gestell Abb 32 Anordnung der Stahlseile Isei 2000 mm Neesteil 1 500 mm Fs max Sy F Sx Abb 33 Seilkraft mit Komponenten 1500mm S 41 41 2000mm h a GE arcco Fy Fs cos41 41 F F sin 41 41 Team Savo
68. Scheiben zur Befestigung der Windleitschaufeln wurden aus altem lackiertem Verkleidungsholz gefertigt Da die Rundheit dieser Scheiben nur dem Erscheinungsbild dienlich ist konnte auf eine einfache etwas ungenaue Methode zum Anrei en des Kreises zur ckgegriffen werden in der Mitte der Scheiben ein K rner der ber eine dem beliebig gew hlten Radius entsprechende Schnur mit einem Stift verbunden war Mit einer Stichs ge wurden die Scheiben zugeschnitten und anschlie end wurden die Bohrungen gefertigt Nachdem alle Komponenten gefertigt waren konnte das Modell zusammengebaut werden 3 4 Messungen Die Messungen konnten Aufschluss dar ber geben in welcher Stellung die Windleitschaufeln verwendet werden sollten Dazu wurde bei verschiedenen Windst rken ohne Windleitschaufeln und mit sechs Windleitschaufeln in allen Stellungen getestet Dabei war zu beachten dass bei allen Messungen die Rahmenbedingungen f r die Tests gleich waren Das hei t der Abstand von Modell und L fter musste immer gleich sein und die T r des Testraums war immer ge ffnet die Fenster geschlossen Zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit wurde ein Anemometer verwendet Das Schalenkreuzanemometer misst mithilfe von halbkugelartigen Schalen die Windgeschwindigkeiten und gibt diese digital auf einem Display aus Team Savonius 18 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 3 4 1 Windkanal Um das Modell mit Wind betreiben zu k nnen sollte ein Windkanal a
69. Sek 14 00 12 00 4 10 00 8 00 4 g 6 00 4 00 2 00 0 00 T T T T T 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 20 Schnelllaufzahl A MPPT 48 s Polynomisch MPPT 48 s Abb 67 Kennlinie mit MPPT 48 nderungen pro Sekunde Das Diagramm der ersten Tests zeigt dass der Savoniusrotor zu stark belastet wird Es wurde herausgefunden dass das Programm zu schnell regelte So blieb dem Rotor nicht genug Zeit sich an die ge nderte Last anzupassen Daher befindet sich die Mehrheit der Messwerte im Bereich von 2 4 Wirkungsgrad Das n chste Programm sollte nun langsamer sein um dem Rotor mehr Zeit zu geben um auf Last nderungen zu reagieren Team Savonius 103 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MPPT mit 2 Zugriffen pro Sekunde Mit der Version MPPT_v 2 0_2 sollte das Programm das Tastverh ltnis der PMW nur noch 2 mal pro Sekunde ndern Mit den aufgenommenen Messwerten entstand folgendes Diagramm Abbildung 68 MPPT mit 2 Anderungen pro Sek 14 00 12 00 4 10 00 4 8 00 6 00 4 00 2 00 0 00 T T T T T T 0 00 0 20 0 40 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 Schnelllaufzahl A MPPT 2 s Polynomisch MPPT 2 s Abb 68 Kennlinie mit MPPT 2 Anderungen pro Sekunde Die mit dem Programm MPPT_v 2 0_2 aufgenommenen Messwerte zeigten keine Verbesserung Richtung Maximum Power Point an sondern nur eine sehr
70. Transistoransteuerung Au erdem ben tigt er ausreichend Rechenleistung um die notwendigen Berechnungen und Vergleiche anstellen zu k nnen Daher wurde der PIC 16F88 als Microchip ausgew hlt der alle diese Anforderungen erf llt F r genauere Angaben zum Microchip siehe Datenblatt im Anhang H Team Savonius 61 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 5 2 Der Step Up Converter 5 2 1 Prinzip des Step Up Converters Der Step Up Converter ist der Leistungsteil der Elektronik Er wandelt die geringe Eingangsspannung in eine h here Ausgangsspannung um und bedient sich dabei einer Induktivitat als Energiespeicher Anhand eines vereinfachten Schaltplans ersichtlich in Abbildung 47 lasst sich sein Funktionsprinzip leicht erklaren om Abb 47 Prinzip des Step Up Converter Der Aufwartswandler besteht aus zwei Uberlagerten Stromkreisen die abwechselnd durch den Schalter bestimmt aktiv sind Ist der Schalter der meist als MOSFET ausgef hrt wird geschlossen bildet er mit der Induktivitat einen Stromkreis Der Spulenstrom steigt linear an erzeugt ein magnetisches Feld und speichert so die Energie in der Induktivit t Wird der Schalter ge ffnet beginnt das Magnetfeld zusammenzubrechen und induziert eine Spannung um der Zustands nderung entgegenzuwirken So erh lt die Spule den Stromfluss aufrecht Die Spulenspannung wird mit der Eingangsspannung addiert Uin lt Uout und treibt so den Strom durch die Sperrdiode die
71. URN test for overflow 04 gt 255 decrease Duty cycle decrease Duty cycle ERRATA RICH USART Transmition Test KKKKKKKKK KK KK KK KK KK KK KK KK KK KK KKK USART NOP BTFSC GOTO GOTO send_usart NOP BCF BCF MOVLW CALL MOVEW CALL MOVEW CALL MOVEW CALL MOVEW CALL BTFSS marker_usart usart_flag test flag for operation send_usart rec_test STATUS RPO STATUS RP1 i295 RS232 Uin RS232 Iin RS232 Uout RS232 RS232 PIR1 RCIF Team Savonius transmit the measured values select Bank 0 select Bank 0 transmits reference Sign ne transmits Input Voltage Uin ne transmits Input Current Iin ne transmits Output Voltage Uout ne transmits Output Current Tout test if sign was received 224 Diplomarbeit GOTO BCF MOVEW GOTO rec_test NOP BCF BCF BTFSS GOTO BSF MOVEW GOTO USART_end RETURN kk RS232 Uebertragung RS232 MOVWF SWAPF MOVWF ANDLW CALI dt NOP AND CALL BTFSS GOTO MOVWF MOVE LW BTFSS GOTO MOVWF NOP USART_end marker_usart usart_flag RCREG USART_end STATUS RPO STATUS RP1 PIR1 RCIF USART_end Grohs Klimpfinger Lerch Redl clear the usart_
72. Z past_so DC_gar toggler marker f marker dcd_flag comp_end marker dcd_flag comp_end marker dcd_flag comp_end H_byte PO_H L_byte PO_L Grohs Klimpfinger Lerch Redl W L_byte PO_L if L_byte is bigger skip next op test if L_byte PO_L and skip next if it is toggles the bit that defines the change of the duty cycle because power was decreased direction is not changed because the power was increased nothing is changed because this is the Maximum Power Point save High register of power result save LOW register of power result eee chnge_DC KKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK change_DC BTFSS GOTO marker dcd_flag wweiter Team Savonius 228 Diplomarbeit BTFSS GOTO GOTO increase NOP BCF MOVEW MOVWF INCF INCF MOVEW ADDLW BTFSC GOTO INCF INCF GOTO decrease NOP BCF MOVEW MOVWF MOVEW SUBLW BTFSC GOTO DECF GOTO wweiter RETURN CR Init BCF BCF marker ccp_flag increase decrease STATUS C CCPRIL CCP_temp CCP_temp CCP_temp CCP_temp 201 STATUS C wweiter CCPRIL f CCPRIL f wweiter STATUS C CCPRIL CCP_temp CCP_temp Pal STATUS C wweiter CCPRIL f wweiter STATUS RPO STATUS RP1 Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Redl test flag for op
73. _output USART Limit voltage Limit current multiply KS I compare Change DC Abb 61 Haupt Flussdiagramm Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Redl Das Hauptprogramm l uft in einer einfachen Schleife und ruft dabei ein Unterprogramm nach dem anderen auf die zur Regelung des Step Up Converters n tig sind Dies ist im links stehenden Flussdiagramm ersichtlich Bei der Initialisierung werden alle wichtigen Module konfiguriert Initialwerte geladen und die PWM gestartet In den n chsten beiden Schritten werden mittels des Unterprogramms ADC Input die Strom und Spannungswerte an der Eingangsseite des Step Up Converters mit dem Analog Digital Converter Modul des PICs eingelesen Nun werden auch die Strom und Spannungswerte der Ausgangsseite in der Routine ADC Output eingelesen Die Subroutine USART stellt fest ob ein an die serielle Schnittstelle angeschlossener Computer die Messdaten anfordert die gegebenenfalls bertragen werden Anschlie end wir im Unterprogramm Limit voltage berpr ft ob die Gefahr einer Akkumulator berladung besteht und das Programm reagiert gegebenenfalls In Limit current wird die Belastungsgrenze des Gleichstromgenerators berwacht Mit der Subroutine multiply wird aus den eingelesenen Strom und Spannungswerten der Ausgangsseite die in den Akku gespeiste Leistung berechnet Im Unterprogramm delay wird eine Verz geru
74. _stopp RETURN RE ERREAREN Define a macro for adding amp right shifting mult MACRO bit Begin macro BTFSC mulplr bit ADDWF H_byte Same Team Savonius Register rn Register kk 226 Diplomarbeit E E EE multiply CLRF CLRF MOVE BCF RF H_byte Same RF L_byte Same NDM Multiplier Routine H_byte L_byte mulcnd W STATUS C 0 TY Dn oO B W N FF Grohs Klimpfinger Lerch Redl End of macro KKKKKKKKKKKKKKKKK KK KKK move the multiplicand to W reg clear the Carry bit in the STATUS Reg Pedy io te compare KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK compare NOP BCF BCF MOVEW SUBWF BTFSS GOTO BTFSS STATUS RPO STATUS RP1 PO_H H_byte W STATUS C DC_change STATUS Z Team Savonius select Bank 0 select Bank 0 W H_byte PU H Warning Subtraction C Bit gt B Bit inverse Logic if H_byte is bigger skip next op test if H_byte PO_H and skip next if it is 227 Diplomarbeit GOTO MOVEW SUBWF BTFSS GOTO BTFSS GOTO GOTO DC_change MOVEW XORWE BSF GOTO past_so nop BSF GOTO DC_gar nop BCF GOTO comp_end MOVEW MOVWE MOVEW MOVWE NOP RETURN past_so PO_L L_byte W STATUS C DC_change STATUS
75. anal mit dem BMW L fter nicht ausreichte musste in der freien Natur getestet werden Da aber auch an windstillen Tagen getestet wurde musste auch diesmal der Wind k nstlich erzeugt werden Hierf r wurde der Savoniusrotor auf einen passenden Anh nger gestellt und mit seinen Niederspannseilen ordentlich an dem Fahrzeug befestigt Abb 64 Versuchswagen Um ausreichend Fahrtwind zu erzeugen und diesen m glicht konstant zu halten wurde eine lange gerade Strecke ben tigt Als Teststrecke diente ein asphaltierter Feldweg in Edelstal Burgenland und wurde w hrend der Versuchszeit abgesperrt Zur Aufnahme der Messdaten wurden vier Multimeter ein Anemometer und ein Drehzahlmessger t verwendet Team Savonius 99 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 6 2 Messung mit Widerstand Um eine aussagekraftige Kennlinie Uber den elektrischen Wirkungsgrad des Savoniusrotors samt Generator zu erhalten wurde zuerst mit einem 500 Leistungspotentiometer als Last getestet Mit dem Potentiometer konnte der Rotor verschieden belastet werden um die Messdaten Spannung am und Strom vom Generator aufzunehmen Die Tabelle sieht wie folgt aus 5 5 e 5 2 2 3 E a 3 z S gt c 8 vi c N on o E ER A a E 2 5 3 D E a 2o 5 EI 2 Ou oa ce O o S 5 SE 5 3 8 ao S 22 EI N ce D E o E c Ka 2 So E E go Za 2 o ER bi E E So o E z gt Eo O CH Zo 5 EE a
76. as unterschiedliche Verhalten zwischen dem Solargenerator und einer Windkraftanlage Die folgenden Grundlagen zum Solarpanel dienen daher zum besseren Verst ndnis der Testphase im Schullabor Ein einfaches Solarmodul besteht aus einer Kunststoffschicht mit den eingebetteten Solarzellen welche elektrisch miteinander verbunden sind Das Ganze wird durch eine Glasscheibe gesch tzt und befindet sich in einem Montagerahmen Ein Solarmodul oder Solargenerator ist eine Anwendung der Fotovoltaik und wandelt Strahlungsenergie in elektrische Energie um und enth lt als wichtigstes Bauelement mehrere Solarzellen WIKI2006 Man kann Solarzellen zu gro en Anlagen zusammenschlie en und gemeinsam betreiben f r die Testphase wurde die Sunline Solarmodul MAP 50 Anlage verwendet werden Der wichtigste Aspekt f r die Testphase war das unterschiedliche Verhalten des Solarpanels im Gegensatz zum Rotor Die Leistung des Solarmoduls h ngt von der Sonneneinstrahlung ab Die Sonneneinstrahlung im Schulhof war ziemlich konstant das hei t die Regelung musste sich nur auf geringe nderungen einstellen Wurden Teile der Solarzellen zu Testzwecken abgedeckt bricht die Spannung aber Team Savonius 85 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl sekundenschnell sehr stark ein die Regelung musste sich sofort neu einstellen Den verwendeten Testaufbau mit dem Solarpanel zeigt die Abbildung 60 Abb 60 Tests mit dem Solarpanel Beim Savoniusrotor
77. atur spricht von einer optimalen Rotorstellung bei ca 20 30 vom Gesamtdurchmesser siehe Abbildung 7 n chste Seite Versatz Team Savonius 11 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 7 Erklarungsskizze fur die verwendeten Begriffe Um Material zu sparen und gleichzeitig die Umwelt zu sch tzen wurden zwei ausgediente 6 kg Lebensmitteldosen f r die Fertigung der Rotoren gew hlt Diese Dosen hatten einen Durchmesser von 230mm der dem Rotordurchmesser entspricht Durch ein Missverst ndnis wurde die H he des Rotors falsch berechnet Die H he der beiden Stufen wurde mit dem Gesamtdurchmesser gleichgesetzt Allerdings sollte die H he einer Stufe gleich dem Gesamtdurchmesser d und so die gesamte H he 2 d sein Der Versatz wurde mit v 30 berechnet Da d noch nicht bekannt war musste dieser Wert angenommen werden d 350mm 400mm Die Berechnungen sind in unten stehender Tabelle 1 zu sehen Gesamtdurchmesser d Versatz v Rotordurchmesser d Tab 1 Berechnung des Versatzes Weil es sich hier nur um das Modell handelt waren genauere Berechnungen nicht n tig Da anfangs geglaubt wurde dass die H he mit der Breite in einem Verh ltnis von 1 1 stehen soll wurden die Dosen jeweils um 75 mm gek rzt Team Savonius 12 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl d h 350mm Nice Non 2 250mm 350mm 150mm 150mm 75mm Schon bei den Tests wurde bemerkt dass dieser Aufbau nicht das Op
78. bb 26 Luftwiderstandsbeiwert bei rechteckiger Fl che Betrachtet man die rechte Spalte Links das Verh ltnis von h zu b rechts der dazugeh rige cw Wert Team Savonius 34 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Hohe Rotor h 1200mm Breite Rotor b 600mm h _ 1200mm b 600mm Das H hen Breiten Verh ltnis wird nun in Abbildung 26 gesucht und es ergibt sich folgender cy Wert gt cy 115 Die Luftdichte p bei 20 und 1 bar betr gt 1 205 kg m Aus diesen Werten ergibt sich f r den Str mungswiderstand folgende Berechnung 1205 2 m m Fy 115 12m 0 0m 302 2 H Fy 448N 4 2 2 Lagerberechnung Um das System besser darstellen zu k nnen wurde es in Abbildung 27 um 90 gekippt dargestellt Bes gt Abb 27 Einwirkung des Windes der Gewichtskraft und die Auflagerreaktionen l 350 mm l2 993 mm von Lager A bis zur Mitte des Rotors Die Dichte p des f r den Rotor zu verwendenden Materials X5CrNi 18 10 1 4301 betr gt 7 9 kg dm3 Team Savonius 35 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Die Masse der Welle ist daher V r7 2 4 1 241 4y 2 2 1y V 0 2dm 2 m 12 74dm 0 175dm 2 7 5 4dm 0 125dm 7 2dm V 1 6dm 0 52dm 0 098dm V 2 218dm3 m V p 2 218dn8 7 9 8_ dm m 17 528kg Die Masse des Rotors ergibt sich aus folgender Berechnung Vses V rotorbtani 4 Vrener 3 V scheibe 2 V 6dm 5 65dm 0 0125dm 0 4
79. beit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Alle Anderungen wurden in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase der Leiterplatte durchgef hrt somit entspricht die tats chlich eingesetzte MPPT Leiterplatte den alten Schaltplan und Layout Versionen F r eine neue Fertigung oder den Nachbau sind die optimierten Schaltpl ne und Layouts zu empfehlen Team Savonius 87 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 5 5 Programm 5 5 1 Aufgaben Der PIC Mikrokontroller hat die Aufgabe den Step Up Converter so zu regeln dass dieser m glichst nahe am Maximum Power Point bleibt indem er den Schalttransistor mit einer Puls Weiten Modulation PWM ansteuert Das Programm muss dazu feststellen ob eine Veranderung der Einschaltdauer einen positiven oder negativen Effekt in Bezug auf das Leistungsergebnis erzielt Basierend auf diesem Ergebnis erh ht oder verringert das Programm die Einschaltdauer des Transistors um die Leistung zu maximieren Da sich der Savoniusrotor nicht innerhalb k rzester Zeit an eine Last nderung anpassen kann das Programm jedoch sehr schnell abgearbeitet sein w rde muss daher eine Verz gerung eingebaut werden um diese Tr gheit zu ber cksichtigen und dem Rotor mehr Zeit zur Anpassung zu lassen Der Step Up Converter ist nicht kurzschlussfest daher muss das Programm dieses Problem ber cksichtigen und verhindern Es darf nur eine Einschaltdauer von 0 90 zulassen Der durch den Savoniusrotor betriebene Gleichstromgenerat
80. bt sich aus der Differenz von der Leistung vor und der Leistung nach dem Rotor 1 1 1 ie ak EE DA ey Mit der Kontinuit tsgleichung p v 3 A 9 v 3 A ergibt sich weiter Pa ne 2 2 1 2 Die Kraft die der Wind auf den Savoniusrotor aus bt ist F m v v e Team Savonius 5 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Setzt man in die Gleichung P F v ein erh lt man f r den Massenstrom 1 PE v Das ergibt wiederum f r die Leistung 1 P REN v v 9 Um den Leistungsbeiwert c zu ermitteln muss zun chst die Leistung des Luftstroms ermittelt werden wenn der Savoniusrotor dem Wind keine Leistung entzieht Diese Leistung ist 1 Pi ER 1 EC ae P m P 1 3 pay 3 A n Der Leistungsbeiwert Cp ist nur noch von den Windst rken vor und nach dem Rotor abh ngig Ist v v 1 3 ist der ideale Leistungsbeiwert erreicht Cp ist hier 0 593 oo 08 gt a Idealer Leistungsbeiwert cp e F 02 0 0 2 04 Up 08 10 Abminderung a v2 v Abb 2 Verlauf des Leistungsbeiwertes vor und hinter dem Energiewandler e Team Savonius 6 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 2 3 2 Str mungswiderstand Bringt man einen beliebigen K rper in eine Luftstr mung bewirkt er einen Widerstand den so genannter Str mungswiderstand siehe Abbildung 3 Das hei t dass auf ihn eine Kraft in Str mungsrichtung wirkt Die St rke dieser Kraft ist abh ngig von der Form der Gr e die
81. ch aus den Fl chenschwerpunkten der einzelnen Komponenten A h b 1200mm 600mm 720000mm A h b 750mm 1000mm 750000mm A h b 750mm 50mm 37500mm A A A A 720000mm 750000mm 37500mm 1507500mm Da der Savoniusrotor Oben Ohne symmetrisch ist muss der Fl chenschwerpunkt an der Mittellinie liegen Es ist also nur der Abstand x bezogen auf die x Achse zu ermitteln Dieser ist der Quotient jeder Teilfl che mal Teilschwerpunktsabstand und Gesamtfl che pe A Anh 2 4 6 A ges _ 720000mm 2100mm 750000mm 1125mm 2 37500mm 375mm 1507500mm x 1581 3mm Wie in Kapitel 4 2 1 beschrieben kann der Luftwiderstandsbeiwert cw einfach mit ermittelt werden Mit der im selben Kapitel erkl rten Formel Fy cy SA lie sich die Kraft Fy die Kraft die der Rotor dem Wind entgegensetzt berechnen Die Luftdichte p bei 20T und 1 bar betr gt 1 205 kg m die Windge schwindigkeit wird auch hier mit 30m s sehr hoch angenommen Team Savonius 44 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl h Cw siehe Abb 26 Ainm FyinN b Rotor 2 1 15 0 72 448 Verkleidung 0 75 1 1 0 75 447 Standbein 15 1 36 0 0375 23 Tab 7 Berechnung der verschiedenen Fw Um die Kraft berechnen zu k nnen die im gesamten Fl chenschwerpunkt wirkt wird eine Gleichgewichtsbedingung angesetzt die Summe aller im System auftretenden Momente muss gleich
82. das Verh ltnis von Rotorh he zu durchmesser bereits vorhanden Team Savonius 25 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Rotorblatter Die Grundabma e der Rotorblatter wurden von uns frei gew hlt Von ihnen h ngen die Ma e aller anderen Bauteile wie Teller Welle und Gestell ab Es war wichtig den Rotor gro genug zu bauen um gen gend Leistung f r das Laden des Akkumulators zu liefern Andererseits sollte nicht unn tig viel Material verwendet werden Die H he der Rotorblatter wurde mit 600 mm gew hlt Da H he und Breite einer Rotorstufe im Verh ltnis 1 1 stehen und der Versatz ca 20 30 des Gesamtdurchmessers ist ergibt sich dadurch folgende Berechnung Voie Gesamtdurchmesser 25 600mm 25 150mm 100 100 EEE EL a u 600mm 150mm 375mm Um auf das abzuschneidend Blechst ck zu kommen wird der Rotorblattdurchmesser mit 5 multipliziert am 7 589 05mm 590mm Die Abma e der vier zuzuschneidenden Bleche ergaben 600 mm x 590 mm Die Wandst rke wurde mit 1 25 mm gew hlt Nach dem Zuschneiden wurden die Rotorbl tter auf den richtigen Radius in einer Walze gebogen Teller Bei den Tellern ist die Symmetrie f r das Drehverhalten des Savoniusrotors u erst wichtig Deshalb mussten die 42 mm Bohrungen genau in der Mitte der Teller liegen und die beiden Bohrbilder die auch auf den Steifigkeitsscheiben zu finden sind mit hoher Genauigkeit gefertigt werden Der Durchmesser der Teller richtet
83. das sp tere Best cken der Bauteile und eine eventuelle Fehlersuche zu vereinfachen wurden alle Baugruppen m glichst wie im Schaltplan eingezeichnet platziert Die Klemmleisten befinden sich am Rand die 844 uH Spule ist aufgrund der Gr e sehr platzaufwendig und es musste ein gen gend gro er Freiraum eingeplant werden Ein bedrahteter 1 mF Kondensator befindet sich am Eingang des Step Up Converters die beiden anderen beim Ausgang Dazwischen mussten im Layout die Schottky Diode und die beiden BUZ102 Transistoren so eingebaut werden dass alle drei Teile im TO 220 Geh use an einem gemeinsamen K hlk rper befestigt werden k nnen Im n chsten Schritt wurde die Strom und Spannungsmessung am Schaltungseingang eingeplant Am wichtigsten und besonders aufwendig war dabei das richtige Design der Strommessung mit allen Widerst nden und Kondensatoren rund um den IC MAX472 Ein 5mQ Messwiderstand wird im Stromkreis des Step Up Converters eingebaut Vom Messwiderstand f hren zwei kurze und unbedingt gleichlange Leitungen ber die Vorwiderst nde direkt zu den Messeing ngen des ICs Weiters wichtig ist eine eigene dicke Verbindungsleitung vom Aufw rtswandler Eingang zum IC welche f r den MAX472 als Versorgungsleitung ben tigt wird Aufzupassen ist bei der Position des Entkoppelkondensators an der Versorgungsleitung eines jeden ICs dieser muss immer sehr nahe am Bauteil platziert werden Da das Layout sowohl f r den MAX472 Strommessungen b
84. dem stehen nur zwei Signal Layer Top und Bottom zur Verf gung und ein Schaltplan kann nur aus einem einzelnen Sheet bestehen Mit der Standard Edition welche f r das MPPT Layout ben tigt wurde wird die Platinenflache auf 160 mmx 100mm erh ht ganze Europlatine und es stehen weiters vier Signal Layer Top Route2 Route15 und Bottom zur Verf gung Ohne jegliche Beschr nkungen kann man mit der Professional Edition von Eagle arbeiten F r das MPPT Layout werden zwei Signal Layer Top und Bottom auf einer Europlatinenfl che verwendet Schaltungskomponenten ordnen Team Savonius 181 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Als nachster Schritt wurden alle Bauteile in passenden Gruppen auf der Leiterplatte zugeordnet um sp ter ein schnelleres Routen der Leiterbahnen zu erm glichen Dabei kann man durch Eintippen der Bauteilbezeichnung in der Befehlsleiste von Eagle schell die passenden Bauteile suchen und so wichtige Baugruppen zuerst platzieren Zu Beginn wurden alle Komponenten der Strommessungen der Spannungsmessungen und die Leistungsbauteile zusammen gesucht Alle Leitungen des Step Up Converters m ssen h here Str me und Leistungen aushalten das hei t sie sollten dick genug sein um sich nicht zu stark zu erw rmen Es wurden f r das Layout Leiterbahndicken von bis zu Amm St rke verwendet Weiters soll der Leistungsstromkreis keine unn tigen Umwege beinhalten und daher immer den k rzesten Verbindungsweg verfolgen Um
85. der automatischen Walze siehe Abbildung 38 nicht die gesamte L nge des Bleches gebogen werden kann mussten auf jeder Seite ungef hr 150 mm dazugerechnet werden Deshalb wurden neue Bleche zugeschnitten die 300 mm l nger waren Abb 38 Biegen der Rotorbleche an der automatischen Walze Beim Biegen gab es das Problem dass man nur in kleinen Schritten zustellen konnte da man sonst die Bleche nicht mehr in die Walzen einf hren konnte So war die Arbeit an den vier Blechen sehr langwierig Team Savonius 51 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Nachdem die Rotorbl tter gebogen waren wurden die bersch ssigen 150 mm auf jeder Seite der vier Bleche mit einem Winkelschleifer abgetrennt 4 3 2 Welle Zun chst war geplant die Welle aus einem St ck zu drehen Vor Ort wurde uns aber bewusst dass es mit den verf gbaren Maschinen nicht m glich war eine so lange Welle anzufertigen beziehungsweise zu bearbeiten Aus diesem Grund sollte die Welle aus zwei Teilen bestehen die Welle mit dem Durchmesser 40 mm mit welcher der Rotor verschraubt wurde und die Welle mit dem Absatz auf die der Generator angebracht wurde Die erste Idee bestand darin die Wellen durch Innengewinde an den beiden Wellen und eine Gewindestange zusammenzuschrauben Dieser L sungsweg h tte den Vorteil gehabt dass die Welle teilbar und somit leichter transportierbar gewesen w re Allerdings wurde bef rchtet dass durch das Gewindespiel ein unrunde
86. draht um einen Ferrit Ringmagnet gewickelt Die Kennwerte der Spule wurden mit Messger ten berpr ft Lgem 844 uH R 0 140 Durch den Ohm schen Widerstand l sst sich auch der Ohm sche Verlust in der Spule berechnen P R I 0 14Q 25A 3 5W Kondensatoren Die Berechnung des Kondensators sieht folgenderma en aus H ESR dU Lou ESR u U ou u De DC zu 60m de Tr 0 314V U Te DE Io FA DC 7 U C ui H E Saly 27 6V gt 20 000Hz 0314v MP Bei den Ausgangskondensatoren werden zwei Kondensatoren parallel geschaltet um die geforderte Kapazit t zu erreichen Dadurch verringert sich der Gesamtinnenwiderstand der Kapazit t der verantwortlich f r die Leistungsverluste im Kondensator ist Au erdem werden gro volumige Kondensatoren verwendet da diese in der Regel oft einen kleineren ESR besitzen Es werden zwei 1000 uF 63 V ELKOs verwendet da diese die Anforderungen erf llen und uns von unserem Betreuer DI Meschik zur Verf gung gestellt wurden Team Savonius 67 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MOSFET Als Schalter wird ein Power MOSFET verwendet Dieser muss den auftretenden Strom 5 A schalten k nnen und gleichzeitig die maximale Spannung aushalten Die Wahl fiel auf den BUZ102AL von Siemens Er h lt 50 V und 42 A aus und hat nur einen Innenwiderstand von 28 mQ Die Verluste am Transistor sind vor allem w hrend der Schaltvorg nge zu ber cksichtigen Die nachstehe
87. e Diese w rde wenn die Scheiben nicht genau in der Mitte l gen ein Unrundlaufen verursachen F r den Durchmesser der Scheiben musste ein Kompromiss zwischen Masse und Stabilit t gefunden werden Einerseits durften die Scheiben nicht zu schwer werden andererseits sollten sie trotzdem so weit wie m glich hinaus reichen Die Steifigkeitsscheiben sollten rund 40 der Teller bedecken weshalb sie mit dem Durchmesser 245 mm geplant wurden F r die 40 mm dicke Welle musste genau in der Mitte eine Bohrung mit einem Durchmesser von 42 mm entstehen um bei der Montage etwas Spielraum zur Verf gung zu haben Weiters waren noch zwei Bohrbilder anzufertigen eines zum Fixieren der Flanschplatten und eines zum Verbinden mit den Tellern Die Schrauben Team Savonius 27 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl des inneren Lochkreises f r die Flanschplatte sollten ein M10 Gewinde haben die des u eren ein M6 da hier geringere Kr fte auftreten Abb 21 ProE Zeichnung der Steifigkeitsscheiben Flanschplatte mit Stellring Die Welle wird mit dem Rotor durch eine Schraubverbindung fixiert Dies erfolgt durch zwei Stellringe mit Wurmschrauben hnlich wie in Abbildung 22 Abb 22 Stellring Um die Stellringe am Rotor anbringen zu k nnen mussten Flanschplatten verwendet werden Laut unserem Hauptsponsor gab es Bauteile die Stellring und Flanschplatte kombinierten Zur Not k nnen diese Teile aber auch selbst angefertigt we
88. e eae 88 e EE tele EE 88 5 5 2 Fra PIPNOGh al civ unio aes ee ib eee ee ee ee 89 tee ett ot 90 UI DEE 99 6 RE AUfDaU en EEE 99 6 2 Messung mit Widerstand 2 0 s2 22222 100 63 Ke Wat E E E 101 Erkenntnis scccsiresvassianduadeuessuavenansuasauenivavaneranasuen aaa ann 112 Verzeichnisse Eee 115 8 1 GOuellenmverzechns ee 115 8 2 Abbildungsverzeichnis un 116 8 3 Tabellenverzeichnis 0an0nnannnnannnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnrnnnnrnnnnrnnennnnnnne 119 ANHANG 4 00 0500 602010 hs 120 Anhang A Genehmigung der Dplomarbent nennen 121 Anhang B Terminplan ses ee 124 Anhang C Projekik sten eu 2 130 Anhang D Bedien ungsanleitung uses 132 Anhang RE E E 135 Anhang F Konstruktionszeichnungen EE 146 Anhang G Schaltplan amp Platnenlavout 174 Anhang H D fenblalter cab aa cake ae eA ee ee 185 Anhang l Programmlisting ee ee ee ae 217 Anhang3 Spohsoreh EE 234 Beilage 1 CD Datei Info Dateiname Diplomarbeit_Savonius_MPPT doc Speicherdatum 18 Mai 2006 Druckdatum 18 Mai 2006 Seitenanzahl 241 Pfad C Diplomarbeit_Savonius_MPPT doc Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Einleitung 1 1 Idee Grundidee der Diplomarbeit ist die optimale Nutzung eines Savoniusrotors als alternative Energiequelle zum Laden eines Akkumulators ber einen Maximum Power Point Tracker MPPT Ein Savoniusrotor eignet sich ideal zur dezentralen Energieversorgung von kleinen Haushalten oder Betrieben
89. ehen Drau en waren bei leichtem Wind es stand leider kein Anemometer zu Verf gung 91 Umdrehungen pro Minute an der Rotorwelle zu messen Der Rotor lief sehr rund und die gesamte Anlage war sehr stabil Team Savonius 56 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl a all ENTE E Abb 44 Erste Inbetriebnahme des Savoniusrotors 4 3 5 bersetzung mit Kettentrieb Als der Getriebemotor geliefert wurde wurde festgestellt dass er ein sehr hohes Drehmoment ben tigt um anzulaufen Es war daher nicht m glich den Generator direkt an die Welle anzubinden Deshalb musste eine bersetzung verwendet werden Da unser Hauptsponsor gr tenteils Kettenantriebe auf Lager hatte wurde beschlossen die bersetzung mittels Kette durchzuf hren Der Kettenantrieb hat gegen ber dem Riementrieb den gro en Vorteil dass verschiedene bersetzungsverh ltnisse ausgetestet werden k nnen ohne neue Ketten kaufen zu m ssen Die Kette muss nur verl ngert oder verk rzt werden Ein weiterer Vorteil ist die formschl ssige und schlupffreie Leistungs bertragung und damit konstante bersetzung Da Ketten ohne Vorspannung laufen werden die Lagerungen des Generators weniger belastet Ein wichtiger Vorteil f r das Verwenden des Kettentriebes am Savoniusrotor ist die Unempfindlichkeit gegen Schmutz und Feuchtigkeit Da die Zahnr der ber die die Kette l uft ber Passfedern leicht auszuwechseln sind konnten verschiedene bersetzungen au
90. eher S 32 Motor S 19 20 Scharnier amp schraube S 144 148 Lager beide Team Savonius 185 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl PIC 16F88 Team Savonius 186 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl PIC16F88 Team Savonius 187 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl PIC16F88 Team Savonius 188 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Wid Team Savonius 189 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Wid Team Savonius 190 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl LT Team Savonius 191 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl LT Team Savonius 192 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl LT Team Savonius 193 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl LT Team Savonius 194 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl BUZ Team Savonius 195 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl BUZ Team Savonius 196 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Schottky Team Savonius 197 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Schottky Team Savonius 198 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl DS Team Savonius 199 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl DS Team Savonius 200 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl DS Team Savonius 201 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl DS Team Savonius 202 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl DS Team Savonius 203 Diplomarbe
91. eingeplant Um die Stabilit t des Modells zu f rdern wurde es beidseitig gelagert und an den beiden Lagerpunkten Bohrungen f r die Kugellager im Gestell angefertigt Da das Modell stets von derselben Seite vom L fter angeblasen wird nehmen die seitlichen St tzen f r die obere Lagerung dem Savoniusrotor keinen Wind weg Das Gestell ist in Abbildung 6 auf der folgenden Seite zu erkennen Team Savonius 10 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 6 Das konstruierte Gestell 3 2 2 Rotor Um den Rotor bestm glich optimieren zu k nnen bestand die Idee das Modell so zu bauen dass die berschneidung der Rotorbl tter stufenlos ver nderbar ist Das sollte durch Langl cher in den Tellern realisiert werden Die an die Rohrh lften angeschwei ten B den w ren dann durch Muttern und Schrauben an die Teller montiert worden Die Vorteile dieses L sungsweges sind rasche und unkomplizierte Rotorumstellung sowie stufenloses Ermitteln der optimalen Rotorstellung Diese L sung verf lscht aber das Ergebnis ein Modifizieren der Rotorstellung w rde auch den Gesamtdurchmesser ver ndern und somit die Drehzahl beeinflussen Eine andere M glichkeit w re mehrere Modelle mit gleichem Gesamtdurchmesser und verschiedenem Versatz zu entwickeln also mit anderen Rotordurchmessern Da die Diplomarbeit aber zeitlich begrenzt ist wurde beschlossen nur ein Modell zu bauen und das Wissen aus der Fachliteratur zu bernehmen Die Fachliter
92. eise aktivieren Dadurch k nnte die komplette Schaltung und Regelung au er Kontrolle geraten und weitere Sch den verursachen Als Abschluss des Layouts werden GND Fl chen mit dem Polygon Befehl in Eagle verlegt Dazu muss man in der Befehlszeile poly gnd eintippen und danach den gew nschten Bereich auf der Leiterplatte markieren Die Fl che wird unter Einhaltung der eingestellten Design Regeln Leiterbahndicke Abst nde durch Anklicken des Ratsnest Befehl passend gezeichnet Das hei t alle gro en leeren Bereiche zwischen den Leiterbahnen werden zu Kupferfl chen welche mit Masse verbunden sind Es musste ebenfalls darauf geachtet werden dass nicht eine GND Fl che vom Leistungsteil bis zu den ICs reich Am Layout wurden daher mehrere GND Fl chenbereiche f r die Leistungsteile und die ICs separat erstellt und nur durch einzelne Verbindungen am GND Sternpunkt am Eingangskondensator miteinander verbunden Nach der Verlegung aller Leiterbahnen und dem Erzeugen von brauchbaren GND Fl chen wird das Layout auf Papier gedruckt um nochmals Fehler im Review zu entdecken Danach wurden mehrmals die Designentw rfe berarbeitet und optimiert um beispielsweise Leitungsl ngen zu k rzen und die Dicke von Bahnen weiter zu erh hen Team Savonius 184 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang H Datenbl tter DS275 alles MAX472 alles BUZ102AL Seite 1 3 Schottky MBR1645 LT1129 5 ADJ 1 3 9 11 St
93. elect Bank 0 load delayer with 4 for delay maximum charge Voltage OxE6 gt 24V Akku 0x73 gt 12V Akku maximum current 0x3C 2 5A OX1B set BI 1A 0X28 T for toggling flags clear h lag bit of PWM DC clear start ne flag bit of USART value for least Power value 231 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MOVWF PO_H used to compare at first time MOVLW LO MOVWE PO_L MOVLW Pale start value for actual Power MOVWF H_byte used to compare at first time MOVLW 1 MOVWF L_byte MOVLW 0 initialisation of the MOVWF mulplr multiplication registers MOVLW lt Q initialised with zero MOVWF mulcnd KKKKKKK Main Program KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK main BCF STATUS RPO select Bank 0 BCF STATUS RP1 select Bank 0 BCF PORTA 4 activates Status LED BSF PORTB 1 activates measuring ICs MOVLW 0 value for ADC Channel select CALL ADC calls ADC routine MOVWE Uin store result in Uin Register MOVLW wl value for ADC Channel select CALL ADC calls ADC routine MOVWE Tin store result in Tin Register MOVLW 2 value for ADC Channel select CALL ADC calls ADC routine MOVWE Vout store result in Uout Register MOVWE mulcnd store result in multiplicand Register Team Savonius 232 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger
94. en orientieren W ren die Team Savonius 53 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl beiden Bohrungen fur die Welle nicht exakt Ubereinander angebracht werden hatte sich der Rotor wom glich nicht gedreht Nach der Montage der Lager wurde die Welle eingef hrt Da sich diese aber nur sehr schwer drehen lieBen und die beiden Lager aus nicht rostendem Stahl gefertigt sind siehe Anhang H wurden die Simmerringe an Unter und Oberseite der Lager entfernt Dadurch lieB sich die Welle erheblich leichter drehen Gestell Zun chst wurden alle 21 Teile aus 50x50x3 mm Halbzeug mit einer Bands ge zugeschnitten siehe Abbildungen 40 und 41 Die Gehrungen der zuzuschneidenden Teile wurden ebenfalls an der Bands ge gefertigt Abb 40 und 41 Zuschneiden des Gestells an der Bands ge Beim Verschwei en der Formrohre musste sehr genau darauf geachtet werden dass die einzelnen Teile im rechten Winkel zueinander standen Aus diesem Grund wurde intensiv mit Anschlagwinkeln und Haarwinkeln gearbeitet Waren die Rohre in ihren richtigen Positionen wurden sie zun chst geheftet erneut ausgerichtet und erst dann rundum mit 140 A verschwei t Diese Arbeit war sehr zeitintensiv und musste immer zu zweit durchgef hrt werden Nach Beendigung dieser Arbeit wurden noch die F e in die St tzen eingeschlagen Team Savonius 54 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 42 Die drei Fertigungsstufen des Gestells Bei Fertigstellung d
95. en von 3 V bis 15 V der PIC sendet und empf ngt Spannungen von 5V und OV Der so genannte DS275 ist ein 8 Pin RS232 Transceiver Chip der die Spannungen der RS232 Schnittstelle in Logic Level wandelt 5 V 0 V Der DS275 ist kosteng nstig und wurde f r das Diplomprojekt von Dallas Semiconductor als Sample verschickt Er wurde f r den MPPT gew hlt da er line powered arbeitet das hei t der Chip kann f r die Sendeleitung die n tige Spannung von der Empfangsleitung ber den PC entnehmen Dies erfolgt durch eine ausgekl gelte einzigartige Schaltung im IC die es erm glicht dass die Sendeleitung des Chips die Versorgung von seiner Empfangsleitung stiehlt Diese Eigenschaft funktioniert solange die Sendeleitung auf Marking Pegel ist was bei standardm iger serieller bertragung ber einen Gro teil der Verbindungszeit der Fall ist z B in allen Wartepausen wenn keine Daten bertragung erfolgt Somit muss der DS275 nur kurzzeitig von seiner eigenen Versorgungsleitung Strom ziehen Dadurch ist dieser Transceiver Bauteil sehr sparsam Die einzige Beschr nkung liegt darin dass er keine wirkliche voll duplexe bertragung erm glicht Au erdem kann es sein dass der DS275 w hrend der Daten bertragung nicht immer die Normpegel der RS232 einhalt Allerdings sind die Abweichungen so gering dass fast alle Ger te die Signale richtig lesen k nnen Da der PIC beim Step Up Converter allerdings nur Messwerte senden Team Savonius 78 Dipl
96. endet Dieser Maximalwert f r den Eingangsstrom ist so definiert dass ein bestimmter Stromwert nicht berschritten wird um den Gleichstromgenerator am Eingang nicht zu sehr zu belasten und dadurch zu zerst ren Da die Strommessung ber den IC MAX472 durchgef hrt wird muss folgende Formel zur Berechnung des Stromwertes verwendet werden 10A 250 2 2 5A 2 2 5A 62 5 gt 0x3C 10A Dieser Stromwert ist in der Initialisierung definiert und passend f r den Generator auf 2 5 A eingestellt multiply In der Multiply Routine wird ausschlie lich der neue Leistungswert berechnet Dazu werden die neu eingelesenen Strom und Spannungswerte an der Ausgangsseite des Step Up Converters welche in den Akku geladen werden durch eine Reihe von Schiebe und Additionsbefehlen bin r miteinander multipliziert und das 16 Bit Ergebnis in zwei 8 Bit Register gespeichert Team Savonius 92 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl delay Der kurze Programmteil delay sorgt f r die n tige Zeitverz gerung zwischen den einzelnen nderungen des PWM Tastverh ltnisses Da das Programm etwa 20 Millisekunden zum Durchlaufen ben tigt wird in diesem Programmteil daf r gesorgt dass die nderungsroutinen nur bei jedem 5ten Durchlauf ausgef hrt werden Dazu wird eine Variable mit dem Dezimalwert 4 geladen und bei jedem Programmdurchlauf um eins verringert Hat sie den Wert Null wird sie neu mit Dezimalwert 4 geladen und die nderungsrou
97. er erkennbar an dem nicht gesetzten Carry Bit springt das Programm zu DC change Da die nderung des Tastverh ltnisses die Leistung verringert hat wird das ccp_flagBit invertiert um die nderung des Tastverh ltnisses umzukehren Au erdem wird auch das dcd_flag gesetzt um zu wirken dass eine nderung durchgef hrt wird Mit dem Carry Bit kann allerdings nicht festgestellt werden ob die Werte gleich sind da es auch in diesem Fall zu einem berlauf kommt Aus diesem Grund wird anschlie end das Zero Bit mit BTFSS abgefragt Ist es nicht gesetzt also Null sind die Zahlen unterschiedlich und damit steht fest dass der neue Leistungswert h her ist Daher wird zu past_so gesprungen wo nur das dcd_flag gesetzt wird um zu best tigen dass das Tastverh ltnis ge ndert werden soll Falls das Zero Bit gesetzt Team Savonius 94 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl ist sind die beiden h herwertigen Bytes der Leistungswerte gleich und es m ssen auch die niederwertigen Bytes f r einen eindeutigen Vergleich herangezogen werden Bei diesen wird gleich wie bei ihren Vorg ngern verfahren Zun chst wird PO_L von zu DC change gewechselt Andernfalls wird auch das Zero Du abgefragt um endg ltig zu bestimmen ob der gesamte alte Wert kleiner bei Zero 0 oder gleich gro bei das dcd_flag Bit gel scht um eine nderung des Tastverh ltnisses zu verhindern Zuletzt werden die alten mit den neuen Leistungswe
98. eration increase duty cycle clears the Carry bit test for overflow too high duty cycle increase increase decrease du du du ty cycle ty cycle ty cycle clears the Carry bit test 70 gt 255 for overflow decrease duty cycle select sel Initialisierun EKER KKK RR KK KK KKK KK KK Bank 0 Bank 0 229 Diplomarbeit 1 F MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF BSF BCF MOVLW MOVWF MOVLW MOVWF BSF BCF MOVLW MOVWF Init BSF MOV LW MOVWF MOVLW MOVWF BCF MOV LW MOVWF MOVEW xr r ADC BSF MOV LW MOVWF MOVLW MOVWF BCF MOVLW MOVWF b 00000000 PORTA b 00000000 PORTB STATUS RPO STATUS RP1 b 00000100 TRISB b O0001111 TRISA Oscillator STATUS RPO STATUS RP1 b 01100000 OSCCON USART STATUS RPO D 64 SPBRG b 00100110 TXSTA STATUS RPO b 10010000 RCSTA RCREG Enve STATUS RPO b O0001111 ANSEL b 01000000 ADCON1 STATUS RPO b O1000001 ADCONO Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Redl clear PortA clear PortB select Bank selec t Bank set RX Pin as input set measuring Pins on PortA as input selec selec t Bank t Bank juse E selec
99. erkzeug hat an der Unterseite eine Spitze mit der man mithilfe eines K rnerpunktes exakt in die Mitte des zu stanzenden Loches treffen kann Da aber wegen des Plasmaschneidens bereits eine Bohrung vorhanden war konnte der Mittelpunkt nicht mehr gek rnt werden Als L sung wurde ein Klebeband ber das Loch geklebt und so der Mittelpunkt erneut angerissen Erwartungsgem war dieser Weg aber nicht ganz genau was auch sp ter f r Probleme sorgte Team Savonius 50 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Auch hier wurde am Schluss das Bohrbild zur Verbindung von Teller Steifigkeitsscheiben und Flanschplatten angefertigt Flanschplatten mit Stellring Da entgegen aller Erwartungen kein Einzelteil das Flanschplatte und Stellring kombiniert zur Verf gung stand musste dieser erst gefertigt werden Hierzu wurden zwei Wasserrohrflanschplatten aus Restbest nden und zwei Stellringe mit je zwei Wurmschrauben jeweils mit Innendurchmesser 40 mm verschwei t Da diese Schwei n hte nur gering belastet werden wurde ohne vorhergehende Berechnungen beschlossen die beiden Teile nur durch einige wenige kurze N hte zu verbinden Die zwei schon vorgefertigten verwendeten Flanschplatten wiesen ein stark asymmetrisches Bohrbild auf welches aber die Funktionsweise nicht beeinflusste Rotorbl tter Gleich beim Zuschneiden der Rotorbl tter unterlief ein Fehler Die Bleche wurden genau nach Plan abgeschnitten Weil aber beim Biegen in
100. ertes Layout Bottom nn 180 Team Savonius 118 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 8 3 Tabellenverzeichnis Tab 1 Berechnung des Versatzes nnna nnn nnne 12 Tab 2 Mess und Rechenergebnisse am Modell 23 Tab 3 Mess und Rechenergebnisse am Modell ohne Windleitschaufeln 24 Tab 4 Motorkenndaten EE 32 Tab 5 elektrische Nutzleistung mit Generator 33 Tab 6 Ma e des Savoniusrotors zur Bestimmung des Eet EG 44 Tab 7 Berechnung der verschiedenen E 45 Tab 8 RE le ET 47 Team Savonius 119 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl ANHANG Team Savonius 120 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang A Genehmigung der Diplomarbeit Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Seite 1 Team Savonius 122 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Seite2 Team Savonius 123 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang B Terminplan Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Geplant 1 Team Savonius 125 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Geplant 2 Team Savonius 126 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Wirklich1 Team Savonius 127 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Wirklich2 Team Savonius 128 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Projektarbeiter Zeitaufwand Grohs Daniel 200 h Kimpfinger Koloman PL 200 h Lerch Harald 200 h Redl Patrick 200 h Bei der Ausarbeitu
101. es Gestells wurde bemerkt dass sich die St tzen durch das SchweiBen etwas verzogen hatten Um das zu korrigieren wurden mit einer Winde jeweils zwei St tzen auseinander gedr ckt siehe Abbildung 43 auf folgender Seite Abb 43 Auseinanderbiegen der St tzen mit Hilfe der Winde Als Letztes wurden die Lagerplatten angeheftet Dabei wurde darauf geachtet dass die Null Punkte und somit auch die Bohrungen exakt bereinander lagen Dass die Platten genau in der Mitte des Gestells lagen war f r die Funktionalit t des Rotors nicht wichtig 4 3 4 Montage Nachdem Teller und Steifigkeitsscheiben verschraubt worden waren konnten die Flanschplatten mit Stellring darauf gelegt werden Da die Bohrbilder auf den Flanschplatten asymmetrisch waren war es nur so m glich die L cher auf die Team Savonius 55 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Steifigkeitsscheiben zu bertragen Au erdem musste nun markiert werden welche Flanschplatten Steifigkeitsscheiben und Teller zusammengeh rten da die verwendeten Flanschplatten nicht identisch waren Da die Stanzmaschinen maximal 3 mm starke Bleche stanzen k nnen wurden die Teller und Steifigkeitsscheiben wieder auseinandergeschraubt die L cher der Steifigkeitsscheiben gestanzt und an den Teller angezeichnet Nachdem auch die Teller mit weiteren L chern versehen waren konnten alle drei Teile miteinander verschraubt werden Allerdings wurde beim Stanzen etwas ungenau gearbeitet wes
102. esult MOVWE II 2 NOP RETURN Change DC Change DC ist das Unterprogramm in dem das Tastverh ltnis der PWM neu eingestellt wird Zuerst wird anhand des dcd_flag festgestellt ob eine Veranderung des Tastverh ltnisses n tig ist Ist dieses Bit nicht gesetzt wird der Rest der Routine bersprungen Ist es gesetzt wird anschlie end anhand des ccp_flags berpr ft ob das Tastverh ltnis erh ht oder verringert werden soll In beiden F llen wird vor der Aktualisierung des Wertes berpr ft ob durch die nderung ein berlauf verursacht wird oder der Wert die 90 Grenze wegen Kurzschlussgefahr berschreitet Ist dies der Fall wird keine Ver nderung vorgenommen Team Savonius 96 Diplomarbeit Programmcode change DC Grohs Klimpfinger Lerch Redl rer change_DC kkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkkk zk Change DC BIFSS GOTO GOTO increase BCE MOVEW MOVWE INCF INCF MOVEW ADDLW BESC goto INCF INCE GOTO decrease BCF MOVE W MOVWE MOVEW SUBLW BESC DECH GOTO wweiter RETURN marken ccp_flag increase decrease SMARU SEE CCPRIL SES un CCP_temp CCP_temp EES Zenner a2 Oil STATUS C wweiter Coen ia CCPRIL f wweiter SILANUS CCPRIL EE Eent EES eSigo el STATUS C wweiter CCPRIL AE wweiter test flag for operation increase duty cycle KelleaiesstcheseCorryzb t co
103. eten Um die Stellung der Windleitschaufeln ver ndern zu k nnen war geplant Langl cher in diese Scheiben zu schneiden Auf diese Weise konnten aber nur schwer alle Bleche exakt auf dieselbe Stellung gebracht werden So sollten anstelle von Langl chern Bohrungen mit dem Winkelabstand von 15 gefertigt werden siehe Abbil dung 11 Da bei unseren Versuchen durch den L fter nur ein kleiner Bereich angeblasen wird war es nicht n tig sehr weit hinaus reichende Schaufeln zu fertigen Es wurde beschlossen 300 mm breite Bleche zu verwenden Mit einem 1 75 mm dicken Blech wurde eine sehr hohe St rke gew hlt Dadurch wurde aber eine hohe Stabilit t und Steifigkeit gew hrleistet Da auf den Holzscheiben das gesamte Gewicht der Windleitschaufeln lastet wurden auch hier Verstrebungen zwischen Scheiben und Beinen eingeplant siehe Abbildung 12 518 e D aal Montageflachen 135 Abb 10 Windleitschaufeln vor dem Biegen Team Savonius 15 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 11 Modell in der Ansicht von oben Abb 12 Das gesamte Modell nach der Planung Team Savonius 16 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 3 3 Fertigung 3 3 1 Gestell Die einzelnen Komponenten wurden mit einer Kreissage zugeschnitten Beim oberen Quertrager und bei den beiden Beinen wurden Gehrungen geschnitten um die Teile besser miteinander verbinden zu k nnen Um das Gestell zu stabilisieren wurden nicht nu
104. flag bit and clear the RCIF bit selec selec marker_usart usart_flag RCREG USART_end rs232_1 rs232_1 w 7823222 OxO0f ASCIITAB PIR1 4 1 TXREG rs232_1 w 0x0 f ASCIITAB 1 TXREG Team Savonius t Bank 0 t Bank 0 test if sign was received set the usart_flag bit and clear the RCIF bit KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK KK KKK Swap save mask call the byte In ifs2322 out first nibble ASCII TAI B test move move mask call if al ll bits were sent Working to Transmit register resul lt to Working out first nibble ASCII TAI B test move if al ll bits were sent Working to Transmit Register 225 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MOVLW ODh ASCII Sign line feed BTFSS PIR1 4 test if all bits were sent GOTO 1 MOVWE TXREG move Working to Transmit NOP MOVLW OAh ASCII Sign carriage retu BTFSS PIR1 4 test if all bits were sen GOTO sal MOVWE TXREG move Working to Transmit GOTO send_stopp ASCIITAB ADDWF PCL E 7PCL Program Counter LSB RETLW ro RETLW KL RET LW WE RET LW VE RET LW 4 RETLW VO RET LW 162 RETLW WEE RET LW 8 RETLW roe RET LW VAS RET LW Bi RETLW GAs RET LW D RETLW E RETLW F send
105. ge Windmesswerte am Rotor erhalten zu k nnen muss gen gend Abstand vor und nach dem Savonius eingehalten werden Nahe Messungen verf lschen die Ergebnisse enorm Verwirbelungen werden durch das Messger t erzeugt somit ergibt der Messaufbau schnell verf lschte Daten und Diagramme Die Verwirbelungen im Rotorbereich sind ebenfalls ein Grund f r die teilweise schlechten Messwerte am Modell da der Abstand zwischen L fter Anemometer und Rotor nicht ideal ist Team Savonius 112 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Auswahl des Gleichstrommotors Bei der Auswahl des Gleichstrommotors f r die Verwendung als Generator ist eine rein theoretische Berechnung nicht ausreichend Da ein Prototyp des Savoniusrotors geplant und gebaut wurde konnte die wahre Leistung des Windrads nicht exakt berechnet werden Sehr wichtig war daher das Austesten der m glichen Leistung mit Hilfe von verschiedenen Lasten Somit konnten die Leistungskennlinien des Rotors bei verschiedenen Windst rken aufgenommen werden Die Windmessungen erfolgten am Testaufbau auf einer Teststrecke in Edelstal Die Kennlinie enth lt Spannung und Strom an der Last und die entsprechende Windgeschwindigkeit mit der Rotordrehzahl siehe Kapitel 6 Messungen Als Versuchsaufbau wurde im Projekt ein Leistungspotentiometer mit Maximalwiderstand 50 Q am Generator angeschlossen w hrend den Windtests konnten so beliebige Belastungen am Motor ausgetestet werden Alle Daten wurden in M
106. gelt automatisch richtig nach und h lt sich so auf der Spitze und arbeitet im Maximum Power Point Mit dem MPPT wurden au erdem noch die Werte ber die serielle Schnittstelle empfangen und ausgewertet Daf r wurden entsprechende Excel Tabellen f r die Auswertung der gesendeten Messdaten entwickelt im Anschluss sind die Funktionen der Datenerfassungstabellen erkl rt Die Erfassung besteht aus vier Teiltabellen da die gleichzeitige Verarbeitung von bis zu 65000 Werten sehr un bersichtlich ist und nicht immer auf einmal erledigt werden e Team Savonius 107 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl kann Die Messwerte werden als hexadezimaler Code per RS232 gesendet die Ubertragung erfolgte immer in der gleichen Reihenfolge Die Datenreihe beginnt mit OxFF als Trennzeichen danach zuerst Generatorspannung und strom beides Eingang abschlie end werden Akkumulatorspannung und strom beides Ausgang bermittelt Als Beispiel werden Daten von der bertragung im Anschluss angef hrt bertragungsbeispiel vom MPPT zum PC FF Erkennung 48 Eingangsspannung 1A Eingangsstrom D1 Ausgangsspannung OD Ausgangsstrom IS 42 14 D1 06 IS Team Savonius 108 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Danach erfolgt die Verarbeitung in den vier Tabellenblattern 01_Werte gefiltert 02 HEX Werte auf Spannung und Strom aufteilen Unterscheidung Ein Ausgang 03 HEX in Dezimalzahlen umrechnen 04
107. halb die Flanschplatte auf einem der Teller nicht ganz genau mittig lag Aus diesem Grund musste bei Teller und Steifigkeitsscheibe noch nachgefeilt werden Wie bei der Fertigung der Teller bereits beschrieben waren auch die L cher in der Mitte der Teller nicht ganz mittig Auch diese wurden nun durch Feilen vergr ert Der n chste Arbeitsschritt war die Rotorbl tter anzubringen Dazu wurden die Mittellinien und an ihnen die Abst nde der Rotorbl tter zur Au enkante und zum Mittelpunkt der Teller mit einem Zentrierwinkel angerissen Auch hier waren beim Schwei en zwei Personen gefordert der Schwei er und jemand der die Rotorbl tter auf ihre richtigen Positionen niederdr ckte Das war oft ein gr berer Kraftakt da die Rotorbl tter nicht exakt dem vorgegebenen Durchmesser entsprachen und so h ndisch in ihre richtige Position gebogen werden mussten Zun chst wurden die beiden Teile nur aneinander geheftet um nach dem ersten Test der Anlage eventuelle Ver nderungen leichter durchf hren zu k nnen Der fertige Rotor wog insgesamt 31 kg Nun konnte die Welle eingef hrt und durch die Wurmschrauben der Stellringe mit dem Rotor verbunden werden Das Gestell wurde dabei gekippt um den Rotor und die Welle leichter montieren zu k nnen Erste Inbetriebnahme Jetzt wurde die gesamte Anlage 135 kg wieder aufgestellt und mit einem Gabelstapler aus der Halle gef hrt Bereits durch den geringen Fahrtwind begann sich der Rotor langsam zu dr
108. icrosoft Excel verarbeitet und dienten als Grundlage f r die Feineinstellung des Maximum Power Point Trackers Da die Verwendung des Savoniusrotors f r Stromerzeugung nicht sehr verbreitet ist gibt es in der Fachliteratur wenige Anhaltspunkte f r die Auswahl eines passenden Generators Nach Absprache mit dem Motorlieferanten Firma Sp rk wurde eine zu hohe bersetzung gew hlt W rde man nochmals einen Generator mit dem jetzigen Wissen kaufen w rde eine niedrigere bersetzung gew hlt werden Die Firma Minimotor bietet denselben Gleichstrommotor auch mit einem bersetzungsverh ltnis von 17 76 an Dieser Motor w rde sich ausgezeichnet f r unsere Zwecke eignen H tte man schon anfangs diesen Generator gew hlt k nnte man auf den Kettentrieb verzichten Die Verluste von 40 W im Getriebe w ren dadurch kleiner und die Verluste des Kettentriebes w rden komplett wegfallen Testphase mit professionellem Windkanal Weiters wichtig f r die Erstellung einer noch besseren Kennlinie w ren Windkanaltests gewesen Der Kosten und Zeitaufwand war allerdings f r ein Diplomprojekt im Rahmen der HTL nicht m glich f r die Aufnahme eines vollst ndigen Diagramms aber notwendig gewesen Die Windmessungen mit Hilfe des Testaufbaus im Freien lieferten nur nach unz hligen Messungen brauchbare Werte in einem Windkanal kann man bei gew nschter konstanter Windgeschwindigkeit die Daten einfacher messen So ist es m glich eine komplette Kennlinie aufzu
109. ie Tests ohne Windleitschaufeln fortgesetzt Die Ergebnisse dieser Messergebnisse sind in der folgenden Tabelle 3 ersichtlich Windgesch Windgesch mech Drehfrequenz Drehzahl vor Rotor hinter Rotor Leistung O FPE in ie x P 2 0 m s 6 36 W 2 4 m s 5 79 W 2 5 m s 7 81 W 3 3 m s 10 65 W 3 3 m s 12 50 W 3 6 m s 15 54 W 3 8 m s 15 95 W 4 3 mis 19 92 W 4 4 m s 21 54 W 5 2 m s 21 92 W 5 4 m s 31 65 W 5 1 mis 34 11 W 5 8 m s 35 24 W 5 5 m s 43 98 W 5 5 m s 48 75 W 5 8 mis 52 52 W 5 8 m s 57 87 W 5 8 m s 67 40 W 6 2 m s 75 97 W 6 4 mis 83 94 W 7 0 mis 111 13 W 7 3 mis 114 83 W 6 3 mis 126 16 W 14 0 m s 7 0 m s 125 59 W Tab 3 Mess und Rechenergebnisse am Modell ohne Windleitschaufeln Team Savonius 24 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 4 Savonius Oben Ohne 4 1 Planung Urspr nglich war geplant den Savoniusrotor so kosteng nstig wie m glich zu fertigen und daher Altwaren wie F sser und Kfz Teile zu verwenden Unser Hauptsponsor die Firma Werfring wollte sein Logo allerdings nicht auf ein Produkt aus Altwaren platzieren und schlug vor f r hochwertigeres Material selbst aufzukommen So wurde f r den Rotor und die Welle nicht rostender Chrom Nickel Stahl X5CrNi18 10 und f r das Gestell Halbzeug aus Baustahl S235JR verwendet werden da diese Werkstoffe bei der Firma Werfring bereits lagernd waren Die Grundidee war den Savoniusrotor so wie unser Modell und die meisten bereits entwickelten Rotoren
110. iedene Werte besitzen teilweise 0 Q Widerst nde und manche Pads werden nicht best ckt Alle Leitungen wurden manuell nach den beschriebenen Voraussetzungen verlegt Die Leiterbahnen haben gro teils eine Dicke von 0 04 inch 1 016 mm nur die Verbindungen von den Bauteilen in den SO 8 Geh usen MAX472 DS275 sind mit 0 016 inch 0 4064 mm noch d nner Am Layout wurden zum Schluss mehrere GND Fl chenbereiche f r die Leistungsteile und die ICs separat erstellt und nur durch einzelne Verbindungen am GND Sternpunkt am Eingangskondensator miteinander verbunden Nach der Verlegung aller Leiterbahnen und dem Erzeugen von brauchbaren GND Fl chen wurde das Layout auf Papier gedruckt um Fehler zu korrigieren Leitungsl ngen zu optimieren und die Dicke von Bahnen weiter zu erh hen Das f r die Schaltung verwendete Layout zeigen die Abbildungen 56 und 57 Team Savonius 80 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 5 4 2 Fertigung der Leiterplatte Bei der Fertigung der Leiterplatte musste in der Elektronik Werkstatte zu allererst das Layout vom PC auf geeignete Folien gedruckt werden Es wurden Laserdruckerfolien verwendet und das Layout ist zentriert platziert worden um die Verzerrung des Druckes zu minimieren Beide Platinenseiten musste man zweimal drucken um die notwendige Lichtundurchlassigkeit des Ausdrucks zu erhalten Danach wurde eine geeignete Tasche
111. is 10A als auch f r den MAX471 Strommessungen bis 3 A ausgelegt wurde befinden sich noch weitere Widerst nde im Umfeld des IC welche aber je nach Bauteilauswahl verschiedene Werte besitzen teilweise 0 Q Widerst nde oder manche Pads werden nicht best ckt Das Design der Spannungsmesseinheit mit den beiden Transistoren zum gezielten Ein und Ausschalten der Messung ist nicht so empfindlich Daher wurde nur eine korrekte und Platz sparende Anordnung im Leiterplattenlayout angepeilt wobei sich die beiden Transistoren in einem TO 92 Geh use befinden bedrahtet sind und daher auf der Bauteilseite eingebaut werden Einbau des Mikroprozessors Nun musste der Mikroprozessor PIC16F88 auf der Bauteilseite der Platine eingebaut werden Es wurde darauf geachtet den PIC eher zentral einzuplanen um seine Anschlussleitungen in alle Richtungen weg verlegen zu k nnen Wichtigste Regel nach dem Einbau des PIC ist die sofortige nahe Anordnung des passenden Entkoppelkondensators Au erdem musste noch je ein Entkoppelkondensator bei den richtigen Eing ngen des PICs von den beiden Spannungsmessungen angebracht werden Direkt neben dem PIC musste auch der 10 MHz Quarz mit seinen beiden 22pF Kondensatoren Platz finden Als letztes wurde neben dem PIC die e Team Savonius 182 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Betriebsleuchtdiode mit geeignetem Vorwiderstand eingebaut danach konnten alle Anschlussleitungen vom PIC der Wichtigkeit nach verlegt
112. it Grohs Klimpfinger Lerch Redl MA Team Savonius 204 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MA Team Savonius 205 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MA Team Savonius 206 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MA Team Savonius 207 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MA Team Savonius 208 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl MA Team Savonius 209 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Steher Team Savonius 210 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Motor Team Savonius 211 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Motor Team Savonius 212 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Schanier Team Savonius 213 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Halter Team Savonius 214 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Lager Team Savonius 215 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Lager2 Team Savonius 216 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang Programmlisting Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Lufteransteuerung Programmlisting Name Testprogramm fuer PIC 16F88 Datel Luefter090 ASM Description LED PWM ADC Date 16 12 2005 Autor Klimpfinger Grohs Team Savonius HTL3R i list p 16f88 include lt p16f88 inc gt org 0x000 goto init org 0x005 init
113. iusrotor wurde 1925 vom finnischen Schiffsoffizier Siguard J Savonius erfunden Zun chst diente er zur Bel ftung von Fracht und Personenr umen wurde jedoch bald zur Energieerzeugung verwendet So werden mit ihm Pumpen Kompressoren und Generatoren betrieben Der einfache Aufbau kann aus leicht erh ltlichen Altmaterialien wie lf ssern und Kfz Teilen realisiert werden Der gro e Vorteil von Savoniusrotoren gegen ber Horizontalachsenrotoren ist seine Windunabh ngigkeit So muss keine Energie f r das Ausrichten mit der Windrichtung verwendet werden Weiters kann er ein gro es Windst rkenspektrum ausn tzen und wird auch bei hohen Windgeschwindigkeiten betrieben Au erdem berzeugt der Savoniusrotor durch seine hohe Sturmsicherheit bei richtiger Bauweise Sie sind auch sehr unempfindlich gegen Wirbel und Turbulenzen Gegen ber anderen Windkraftanlagen die einen Leistungsbeiwert von bis zu 59 Prozent haben hat der Savoniusrotor mit maximal 20 Prozent einen geringeren Wirkungsgrad Die geringe Schnelllaufzahl f hrt dazu dass beim Antreiben eines Generators eine bersetzung verwendet werden muss 2 2 Aufbau Beim Bau eines Savoniusrotors sind einige Vorgaben aus der Fachliteratur gegeben So soll die Gesamth he des Rotors dem doppelten Durchmesser entsprechen Der Versatz der beiden S f rmig angeordneten Rotorschaufeln betr gt 20 30 Prozent um einen Teil des Windes von der windaktiven Schaufel auf die passive Schaufel umz
114. leistung Nutzleistung 1 m s 0 43 W 0 03 W 2m s 3 47 W 0 28 W 3 m s 11 71W 0 94 W 4 m s 27 76 W 2 22 W 5 m s 54 23 W 4 34 W 6 m s 93 70 W 7 50 W 7 m s 148 79 W 11 90 W 8 m s 222 11 W 17 77 W 9 m s 316 24 W 25 30 W 10 m s 433 80 W 34 70 W 11 m s 577 39 W 46 19 W 12 mis 749 61 W 59 97 W Tab 5 elektrische Nutzleistung mit Generator Die Formel der Windleistung wurde bereits im Kapitel 2 3 1 erklart 1 3 P pm A Um auf die Nutzleistung zu kommen wird die Windleistung mit dem Gesamtwirkungsgrad welcher 8 betr gt multipliziert Team Savonius 33 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 4 2 Berechnung 4 2 1 Stromungswiderstand F r die Berechnungen am Savoniusrotor wurde der Extremfall worst case angenommen Die Windgeschwindigkeit wurde mit 30 m s 108 km h angenommen was laut der Windst rkentabelle nach Beaufort eine Windst rke von 12 bedeutet und schwere Verw stungen verursacht vgl GROT1978 S 9 Au erdem wird angenommen der Wind auf eine nicht drehbare Fl che bl st die der projizierten Fl che des Rotors entspricht siehe Abbildung 25 A P T Abb 25 Wind bl st auf die projizierte Fl che des Rotors Die Kraft Fw ist die Kraft die der Rotor dem Wind entgegensetzt Fwy w ge Cw ist der Luftwiderstandsbeiwert der sich aus Form und Gr e der angeblasenen Flache ergibt und kann der Abbildung 26 entnommen werden Wo HEE Rechteckpiatte A
115. llend Um die Teller mit den Rotorbl ttern verbinden zu k nnen wurden Winkel angefertigt die anschlie end mit Rotorbl ttern und Tellern vernietet wurden Nach dem Zuschneiden der Winkel wurden sie gebohrt Da keine Biegemaschine zur Verf gung stand mussten die Winkel am Schraubstock gebogen werden Diese Fertigung f hrte nicht immer zu genau 90 Winkeln was bei der Montage auch f r Probleme sorgte Die Montage begann nachdem die Bohrungen f r das Nieten an Tellern und Rotorbl ttern gefertigt waren Durch die Ungenauigkeit der Winkel lagen die Team Savonius 17 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Rotorblatter nicht immer genau an den Tellern auf Diese Zwischenraume hatten den Rotor den Wind nicht optimal nutzen lassen da die Spalten einen Teil des Windes hindurch str men lie en So wurden die Spalten nach dem Vernieten mit Silikon aufgef llt Die Welle wurde mit einer Metalls ge so zugeschnitten dass die Welle ca 200mm l nger war als der Rotor Da es sich bei der Welle um eine Gewindestange handelt konnte diese mit dem Rotor einfach durch Muttern verbunden werden 3 3 3 Windleitschaufeln Das Material der Windleitschaufeln stammt von der Firma Werfring und auch die Fertigung wurde in der Werkstatt unseres Hauptsponsors durchgef hrt Zun chst wurden sechs 578x300mm gro e und 1 75mm starke Bleche zugeschnitten Nach dem Schneiden der Schr gen und dem Fertigen der Bohrungen wurden die Bleche umgekantet Die
116. m Starke verwendet Weiters soll der Leistungsstromkreis keine unn tigen Umwege beinhalten und daher immer den k rzesten Verbindungsweg verfolgen Die Klemmleisten befinden sich am Rand die 844 uH Spule ist aufgrund der Gr e sehr platzaufwendig und es musste ein gen gend gro er Freiraum eingeplant werden Ein bedrahteter 1 mF Kondensator befindet sich am Eingang des Step Up Converters die beiden anderen beim Ausgang Dazwischen mussten im Layout die Schottky Diode und die beiden BUZ102 Transistoren so eingebaut werden dass alle drei Teile im TO 220 Geh use an einem gemeinsamen K hlk rper befestigt werden k nnen Im n chsten Schritt wurde die Strom und Spannungsmessung am Schaltungseingang eingeplant Am wichtigsten und besonders aufwendig ist dabei das richtige Design der Strommessung mit allen Widerst nden und Kondensatoren rund um den IC MAX472 Ein 5mQ Messwiderstand wird im Stromkreis des Step Up Converters eingebaut Vom Messwiderstand f hren zwei kurze und unbedingt gleichlange Leitungen ber die Vorwiderst nde direkt zu den Messeing ngen des ICs Weiters wichtig ist eine eigene dicke Verbindungsleitung vom Aufw rtswandler Eingang zum IC welche f r den MAX472 als Versorgungsleitung ben tigt wird Da das Layout sowohl f r den MAX472 Strommessungen bis 10 A als auch f r den MAX471 Strommessungen bis 3 A ausgelegt wurde befinden sich noch weitere Widerst nde im Umfeld des ICs die aber je nach Bauteilauswahl versch
117. movlw b 00000000 init PORTA movwt PORTA movlw b O00000000 init PORTB movwt PORTB Dat STATUS RPO switch to bankl movlw b 01000001 define Inputs and Outputs movwf TRISA movlw b 00000000 Output f r PWM movwf TRISB OSC Init movlw b 0100010 7 OSC Set 250kHz movwt OSCCON PWM Init mov lw bw Li movw f PR2 Periode 256 Teile Fosc 4 4ms bef STATUS RPO bank movlw b 00001100 CPP auf PWM movwt CCP1CON movlw b 00000100 Timer2 enable Team Savonius 218 Diplomarbeit movw f ADC Init T2CON bsf STATUS RPO movlw B O0000001 movwf ANSEL movlw b 01000000 movwf ADCON1 bcf STATUS RPO movlw B O0000001 movwf ADCONO main jade bsf ADCONO GO_DONE nop ADC nop btfsc goto movt addlw btfsc goto movt movw f goto over movlw movwf goto end ADCONO GO_DONE ADC ADRESH W 25 G Grohs Klimpfinger Lerch Bed switch to bankl select RAO as an Analog input Result left justified G G G 4 Voltage reference VDD and VSS switch to banko Select PIN RAO and set ADC ready Starts A D conversion wait for A D conversion result read ADC result add 25 to ADC result in Wreg if Wreg 25 is gt 255 gt signal higher than 90 if Wreg gt 255 gt Carrybit is set else the normal ADC result is written to CCPRIL STATUS C over ADRESH W
118. n 8 48 m s 8 8m s 0 96 0 98A 26 5V 25 97W 295 62 W 8 78 238 1 min 7 48 m s 9 0 m s 0 83 0 87A 26 5V 23 06W 316 24 W 7 29 203 1 min 6 38 m s 8 0 m s 0 80 069A 26 1V 1801W 222 11W 8 11 148 1 min 4 65 m s 6 0 m s 0 77 0 41A 25 5V 10 46 W 93 70 W 11 16 222 1 min 6 97 m s 9 2m s 0 76 0 92A 26 5V 24 38W 337 79 W 7 22 129 1 min 4 05 m s 7 8m s 0 52 0 30A 254V 7862W 205 86 W 3 70 226 1 min 7 10 m s 86 m s 0 83 0 73A 25 9V 18 91 W 275 92W 6 85 218 1 min 6 85 m s 8 2 m s 0 84 0 81A 26 4 V 21 38W 239 18 W 8 94 196 1 min 6 16 m s 82m s 0 755 0 67A 26 1V 17 49W 239 18 W 7 31 185 1 min 5 81 m s 78m s 0 755 0 57A 25 8V 14 71 W 205 86 W 7 14 263 1 min 8 26 m s 9 3m s 0 89 1 22A 26 8V 32 70W 348 93 W 9 37 210 1 min 6 60 m s 7 4m s 0 89 0 77A 26 4V 20 33W 175 79 W 11 56 108 1 min 3 39 m s 8 1m s 0 42 0 31A 252V 781W 230 54W 3 39 121 1 min 3 80 m s 7 6m s 0 50 0 34A 25 3V 860W 190 43 W 4 52 117 1 min 3 68 m s 7 8m s 0 47 0 34A 25 3V 860W 205 86 W 4 18 94 1 min 2 95 m s 7 2m s 0 411 022A 25 4 V 5 59 W 161 91 W 3 45 101 1 min 3 17 m s 7 0m s 0 45 0 26A 25 4 V 6 60 WI 148 79 W 4 44 149 1 min 4 68 m s 8 5 m s 0 55 0 57A 25 7V 14 65W 266 41 W 5 50 160 1 min 5 03 m s 7 3m s 0 69 0 50A 25 7V 12 85W 168 76 W 7 61 172 1 min 5 40 m s 8 1 m s 0 67 066A 25 7V 16 96 W 230 54 W 7 36 184 1 min 5 78 m s 7 6m s 0 76 0 63A 26
119. n Zahlenwerten Die vier Tabellenbl tter wurden zur Auswertung der Daten f r die folgenden Diagramme verwendet Team Savonius 109 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Eingangsspannung Generator Finding sete canara 20V 10 004 300A 25 0 V 8004 70A 20 0 V 6004 a 5 E 5 50A 5 50V a H E 4004 30A 200A 10A oov KZ Abb 72 Eingangswerte am MPPT Ausgangsstrom Akkumulator Ausgangsspannung Akkumulator 10 004 sg 3004 a 1 800A 70A 20 00 V 6004 Lann fs i 4004 10 00 V scale oov 4 Abb 73 Ausgangswerte am MPPT Team Savonius 110 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Leistung 40 00 w Leistung 8 8 15 00 W 10 00 w Eingangsleistung Ausgangsleistung 250 Per Gleitender Durchschnitt Ausgangsleistung 250 Per Gleitender Durchschnitt Eingangsleistung Abb 74 Leistungswerte an Ein und Ausgang des MPPT Wirkungsgrad 100 30 di om er E Ei Ei S Wirkungsgrai a Abb 75 Wirkungsgrad des MPPT Team Savonius 111 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 7 Erkenntnis W hrend der Konstruktion Berechnung Fertigung und Testphase des Savoniusrotors mit Maximum Power Point Tracker wurden zahlreiche wichtige Aspekte aufgedeckt Die Informationen wurden in den ausf hrlichen Entwurfs und Testphasen erkannt und bringen weitere Aspekte zum Projektergebnis Alle erkannten Daten
120. n der N he bei RS232 wurde der Transceiver Baustein DS275 neben der Schnittstelle eingeplant Der Pegelkonverter Chip braucht weiters nur einen Entkoppelkondensator das hei t die restlichen Designanforderungen aufgrund der Schnittstellen sind nicht hoch und k nnen bei der Layoutplanung zum Schluss erf llt werden Probleme mit dem Autorouter Der Entwurf des Leiterplattenlayouts erfolgte f r das Projekt nach den bisher beschriebenen Arbeitsschritten allerdings kann man beim Entwickeln des Layouts nicht mit der ersten L sung die Fertigung beginnen Durch die f rbige Darstellung des Schaltplans am PC Bildschirm k nnen manche Fehler schneller als auf Papier gefunden werden wirkliche Probleme wie zu d nne Leitungen oder Kurzschl sse kann man aber besser auf einem 1 1 Ausdruck erkennen Das hei t nach dem Designentwurf erfolgt der erste Ausdruck auf Papier um danach allgemeine Designfehler auf der Leiterplatte erkennen zu k nnen Im n chsten Schritt kann man dann relativ leicht Fehler wie z B zu d nne Leitungen oder Durchkontaktierungen korrigieren Ein gro es Problem an den ersten Layoutl sungen war vor allem die Verwendung des Autorouters von Eagle da dieser keine Leitungsartenunterschiede kennt Um ein gutes Layout mit einem Autorouter entwerfen zu k nnen m ssten Einstellungen f r alle Verbindungen einzeln getroffen werden denn es muss beispielsweise zwischen PWM Leitungen und _ Versorgungsleitungen bei der Bahndicke und L
121. nalogwert der Spannung zum Vergleich herangezogen Dazu wird zun chst der Wert der Ausgangsspannung in das Working Register geschrieben und anschlie end vom Maximalwert peak_voltage abgezogen Anschlie end kann anhand des Carry Bits im STATUS Register festgestellt werden welcher Wert h her ist Da es sich hier um eine Subtraktion handelt und der PIC Mikrokontroller diese intern durch eine Addition des Zweierkomplements durchf hrt wird das Carry Bit zum Borrow Bit Es gilt die invertierte Logik Beispiel 60 40 3256 40 216 complement on two 60 40 60 216 276 276 0x114 276 gt 255 gt overflow Carry is set Team Savonius 90 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Durch die einfache Abfrage Bit Test File and Skip if Set BTFSS kann zu der n tigen Programmverzweigung gesprungen werden Uberschreitet nun die Ausgangsspannung den eingestellten Maximalwert wird das Tastverh ltnis zur Steuerung des Transistors auf Null gesetzt und so der Ausgang des Step Up Converters gesperrt um keine weitere Leistung an die Akkus zu bertragen Au erdem wird der Bremswiderstand zugeschaltet der dadurch die Leistung des Eingangs aufnimmt in W rme umwandelt und so die Schaltung sch tzt Fallt die Spannung am Ausgang also die Akkuspannung wieder unter den Grenzwert wird der Bremswiderstand wieder weg geschaltet und das PWM Tastverh ltnis kann ge ndert werden Programmcode limit voltage
122. nd 12 V regeln k nnen Dabei sollten au erdem m glichst geringe Verluste auftreten F r die MPPT Schaltung wurde der LT1129 von Linear Technologies eingesetzt den es unter anderem im TO 220 Geh use in Ausf hrungen von 3 3V 5V und einstellbarer Ausgangsspannung gibt Es musste daher die Au enbeschaltung f r 12 V und 5 V berechnet werden denn diese beiden Spannungspegel k nnen die gesamte Regelelektronik ausreichend versorgen Berechnungen Spannungsregler LT1129 Die Formeln zur Berechnung wurden aus dem Datenblatt Anhang H f r LT1129 entnommen In den ersten Rechenschritten wurden die Widerstandswerte f r den erforderlichen Spannungsteiler am Regler ermittelt Anschlie end wurden die auftretenden Verlustleistungen und die maximale Betriebstemperatur errechnet Die Ausgangsspannung und strom des LT1129 wurden anhand der Schaltungsanforderungen eingerechnet alle weiteren Daten wurden vom Datenblatt bernommen F r die Berechnung der 12 V Spannungsversorgung gelten folgende berlegungen R1 100 kQ U 12V R2 Lan 3 75 V lapu 150 nA Vout zs Mun 1 z Iip R2 R2 12V 3 75V 3 75V 150nA R2 100kQ gt R2 zur 219 123kQ i 150 10 100kQ Der gesuchte Widerstand ergibt R2 220 kQ Team Savonius 72 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl lout max 100 mA lenp 25 mA Vin max 30 V Vout 12 V T Package 5 Lead TO 220 Thermal Resistance Junction to Case Tr 5C W P
123. nd 59 zeigen die fertige Leiterplatte mit den ersten best ckten Bauteilen Team Savonius 82 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 58 Platine Top DG OCH MAIRA A JPN A TA a A A T OI r LN TS gf ae BS e en AN Ir d ai AM OVI ee a eee riisg Da ve Abb 59 Platine Bottom 5 4 3 Schrittweise Inbetriebnahme der Leiterplatte Das Best cken der fertigen Leiterplatte musste wieder in einzelnen Baugruppen erfolgen um Kontrollen durchf hren zu k nnen Vor dem Einbau von elektrischen Bauteilen konnten alle Durchkontaktierungen mittels Draht realisiert werden Danach 83 Team Savonius Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl wurden zuerst wichtige Komponenten zum Testen wie die 18 Pin PIC Halterung der ICD2 Stecker der Quarz und die Betriebsleuchtdiode eingel tet Danach konnten mit der LED und einfachen PIC Programmen Teile der Schaltung berpr ft werden Die Kontrolle bestand zuerst aus optischer Kontrolle das hei t es wurde gepr ft ob auch alle Bauteile sichtbar richtige Kontakte zur Leiterbahn hatten und keine kalten L tstellen vorhanden waren Weiters mussten Leiterbahnen mit dem Durchgangspr fger t kontrolliert werden um alle zum Test notwendigen Leitungen auch verwenden zu k nnen Abschlie end wurde mit einem PIC Programm die Betriebs LED aktiviert und das Debuggen beziehungsweise Programmieren ber den schaltungseigenen ICD2 Stecker getestet Weitere Schritte
124. nde Abbildung 51 zeigt den Strom und Spannungsverlauf w hrend eines solchen Schaltvorgangs Prac Usc T Le 7 Strom Spannung Leistung Abb 51 Step Up Converter Schaltung In der Abbildung erkennt man einen Umschaltvorgang des Transistors Dabei sinkt einerseits die abfallende Spannung w hrend der Strom gleichzeitig steigt Das Leistungsmaximum ergibt sich daher zur Umschaltmitte Da die genaue Berechnung ein Integral ber die gesamte PWM Periode ist wird eine einfache Ersatzformel angewandt um die Verlustleistung zu errechnen Dabei wird die maximale Leistung halbiert und so auf die gesamte Umschaltzeit gerechnet 1 U ap la Lin V sch 2 2 2 lo ckt Gi Umschaltzeit die gesamte Ein und Ausschaltzeiten Da der Transistor auch eine induktive Last schaltet werden die Werte mit einem Oszilloskop nachgemessen tr 800 ns tr 500 ns tsch tr tr 1300 ns 1 3 US Team Savonius 68 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl _1 26V 5A 1 3uS ZS De Oo DDoS 0 845W Fur den durchgeschalteten Zustand gilt folgende Formel P Rs I 0 028Q 25A 0 7W von DSon Die gesamte Verlustleistung setzt sich wie folgt zusammen P P P Tom 09 ta _ 0 845W 0 7W 2548 09 1 345 _ 1 4386W D Toi 25uS Sperrdiode Die Sperrdiode muss ebenfalls f r die maximal auftretenden Str me und Spannungen ausgelegt sein Gew hlt wurde die Schottky Diode MBR1645 von I
125. ndelt die nicht konstante geringe Eingangsspannung auf einen h heren Ausgangswert um einen 24 Volt Blei Akkumulator zu laden Der Mikrokontroller misst mit seiner Sensorperipherie die Ein und Ausgangsstr me und Spannungen um die in den Akku geladene Leistung zu bestimmen und durch den Vergleich mit dem vorherigen Wert den Schaltvorgang im Step Up Converter und damit die Belastung des Savoniusrotors passend zur Windst rke zu optimieren Abstract The basic idea of this thesis was to find the best possible way of using a Savonius rotor as an alternative energy resource for charging an accumulator by means of a Maximum Power Point Tracker MPPT The Savonius rotor consists of two halves of a pipe 20 shifted and arranged in an S shaped way To make the rotor more independent of the wind direction and more powerful a further rotor pair rotated 90 degrees is attached on top of the first With the energy produced by the wind the rotor impels a direct current generator that produces electricity The Maximum Power Point Tracker consists of a step up converter which is controlled by a microcontroller The step up converter converts the non continuous low level input voltage into a higher level output voltage to charge a 24 Volt lead gel accumulator By means of its sensor periphery the microcontroller measures the input and output currents and voltages to identify the capacity that is charged into the accumulator By comparing this value with
126. ng verursacht welche dazu dient die Programmgeschwindigkeit an den Rotor anzupassen 89 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Das n chste Unterprogramm compare stellt fest ob der neu berechnete im Vergleich zum zuletzt berechneten Leistungswert Gewinn Verlust oder keine Ver nderung bedeutet und bestimmt die nderung des Tastverh ltnisses In Change DC wird das Tastverh ltnis wie zuvor bestimmt erh ht verringert oder gleich belassen Anschlie end springt das Programm wieder zum Einlesen der Strom und Spannungswerte und l uft von neuem durch 5 5 3 Unterprogramme ADC Im Unterprogramm der Analog Digital Wandlung wird auf Grund der vom Hauptprogramm Ubergebenen Parameter der gew nschte Analogwert Eingangs Ausgangswerte eingelesen Die Steuerleitung welche die Transistoren zur Spannungsmessung durchschaltet und den MAX472 zur Strommessung aktiviert wird bereits im Hauptprogramm auf High gesetzt Mit den bernommenen Parametern wird der Analog Channel und damit der gew nschte Ein bzw Ausgangswert festgelegt Nun wird die acquisition time zum Laden der Kapazit ten abgewartet und die Wandlung eingeleitet Erst nachdem die Wandlung abgeschlossen ist wird das Ergebnis an das Hauptprogramm zur ckgegeben limit_voltage In diesem Unterprogramm wird die Ausgangsspannung berwacht damit die Akkumulatoren nicht berladen und so Sch den verursacht werden Hierf r wird der am Ausgang eingelesene A
127. ng Ozu die f r jedes Material festgelegt ist dividiert durch eine Sicherheit S Die Sicherheit wurde mit 1 5 gew hlt die zul ssige Spannung betr gt 250 N mm vgl RMTB2001 S 4 250 O Grenz _ mm S 1 5 g 166 67 mm Berechnung des Wellendurchmessers 3 32 M max Gar zul _287498 16Nmm d2 Jan 166 67 mm mT 2 d gt 26mm Beim Massentr gheitsmoment kommt es darauf an wie weit die Masse von der Drehachse entfernt liegt Da die Welle direkt auf der Drehachse liegt konnte sie ohne Probleme st rker geplant werden als laut Berechnungen n tig w re Lager mit dem Durchmesser 35 mm sind bei der Firma Werfring Standard Damit nicht extra andere Lager bestellt werden mussten wurden daher diese Lagerungen verwendet Das Axiallager ben tigt jedoch eine Schulter auf der Welle welche auf dem Lager aufsitzt Deshalb sollte die Welle beim Rotor einen Durchmesser von 40 mm haben Team Savonius 40 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Der Querschnitt des Luftkanals zwischen den Fliigeln wird durch die Welle zwar verringert doch hat sich herausgestellt dass dies im praktischen Betrieb nicht leistungsmindernd wirkt SCHU2005 S 11 Welle Verformung Die Welle wird hnlich wie in Abbildung 30 belastet Zwar ist beim Savoniusrotor Oben Ohne A das Loslager und B das Festlager allerdings hat dieser Umstand nur geringen Einfluss auf die Berechnungen ga
128. ng der Dokumentation arbeiteten alle Team Savonius 129 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang C Projektkosten Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Kostenquelle Kaufpreis Kosten Bauteile 60 0 Platine 12 0 Bremswiderstand 24 0 Geh use und Kabel 20 0 L fterbauteile 15 0 Anschlussklemmen 5 5 2 x Akkumulatoren 100 UE 2 x Sterngriffe 4 20 0 Fu spindel Einsatz 27 60 0 Griff 3 20 0 Lagerung 717 4 0 Gestell 100 0 Motor 337 5 0 Kettenr der 85 0 Lackieren 75 0 Plexiglas 62 50 0 Rotor 150 0 Verkleidung 200 0 Welle 100 0 Modell 20 0 Summe 1478 4 5 Team Savonius 131 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Annang D Bedienungsanleitung Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Inbetriebnahme des Savoniusrotors mit Maximum Power Point Tracker Der gesamte Savoniusrotor ist sehr einfach in drei Teile teilbar die Achse das Gestell und die Rotorblatter Um die Welle mit dem Rotor zu verbinden wird die Welle plan bis zum oberen Stellring in den Rotor geschoben Nach dem Anziehen der Wurmschrauben kann die Welle in das Lager des gekippten Gestells gesteckt werden Hier werden nur beim oberen Lager die Wurmschrauben angezogen da das untere Lager als einwertiges Lage
129. ng und Kontrolle dieser Schaltung mussten aber weitere Verbindungen zwischen dem Aufw rtswandler und dem PIC geschaffen werden Dazu wurde zuerst ein Blockschaltbild mit allen Anforderungen und W nschen an die wirkliche Platine entworfen Anhand dieser berlegung und Skizze kann man mit dem Zeichnen des gro en Schaltplans starten Das Blockschaltbild wurde in mehreren Schritten erarbeitet Zuerst wurden alle wichtigen Steuerungs und Messleitungen zwischen PIC und Step Up Converter geplant Es m ssen die Spannung und der Strom am Eingang des Aufw rtswandlers gemessen werden das hei t je eine Messleitung f r Strom und Spannung gehen vom Schaltungseingang zum PIC16F88 Au erdem m ssen f r eine m gliche Steuerung des Wandlers die aktuelle Ausgangsspannung und der Ladestrom messbar gemacht werden auch dazu wird je eine Leitung ben tigt Die letzte wichtige Verbindung geht vom PWM Team Savonius 71 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Pulsweitenmodulation Ausgang zu einem MOSFET Transistor der den Aufw rtswandler steuert 5 3 2 PIC Versorgung LT1129 Quarz Der Maximum Power Point Tracker regelt die Eingangsspannung auf eine h here Ausgangsspannung die im Bereich von 24 V bis 27 8 V liegt Mit dieser Spannung vom 24 V Akkumulator kann man nicht direkt die Elektronik wie Mikroprozessor Treiberbausteine und andere ICs versorgen Es mussten daher fertige Spannungsregler eingesetzt werden die Spannungen bis 30 V in 5 V u
130. nge unterschieden werden Der Eagle Autorouter kann aber nicht so detaillierte Einstellungen verarbeiten es sind nur Einstellungen zu Mindestbahndicke Bahnabst nden Durchmesser von Durchkontaktierungen Vias und hnlichem m glich Spezifikationen f r einzelne Leitungen sind in Eagle nicht einstellbar dazu muss man auf professionellere Layoutsoftware zur ckgreifen F r die Realisierung des Maximum Power Point Tracker Layout wurde daher letztendlich gar kein Eagle e Team Savonius 183 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Autorouter verwendet Alle Leitungen wurden manuell nach den beschriebenen Voraussetzungen verlegt die Leiterbahnen haben gro teils eine Dicke von 0 04 inch 1 016 mm nur die Verbindungen von den Bauteilen weg in den SO 8 Geh usen MAX472 DS275 sind noch d nner mit 0 016 inch 0 4064 mm Durch die besonders d nnen Leitungen k nnen Kurzschl sse zwischen den Pins der kleinen Bauteile verhindert werden Alle Verbindungen im Leistungsteil der Platine dem Step Up Converter sind 0 15 inch 3 81mm dick um Str men von bis zu 10 A mit relativ geringer Erw rmung standzuhalten Bei der Verlegung von Masseleitungen GND ist darauf zu achten dass nie GND Anschl sse der ICs direkt mit Masse des Leistungsteils verbunden werden Dadurch k nnten unbemerkt Kriechstr me von den Leistungsbauteilen zu den ICs oder Mikrokontrollern flie en und so den Programmablauf st ren oder elektrische Bauteile in unerlaubter W
131. ngen der Schaltung erf llte wurde diese mit den n tigen Bauteilen best ckt Der Best ckungsplan befindet sich auch in Anhang G Das Programm zur Ansteuerung befindet sich in Anhang I Nach der Initialisierung des PICs wird die Spannung die am Potentiometer abf llt ber den PIN RAO eingelesen Zur Ansteuerung des L ftermotors wurde eine PWM verwendet Da das Tastverh ltnis der PWM ebenfalls mit 8 Bits eingestellt wird kann der gleichlange Analogwert daf r bernommen werden Da der Motor jedoch nur mit 90 angesteuert werden sollte wird dies noch zuvor berpr ft Hierf r wird ein Wert der 10 entspricht zum Analogwert addiert Wird dadurch ein berlauf erzeugt ist der Wert zu hoch und es wird der Wert f r 90 an die PWM bergeben Anderenfalls wird der gewandelte Wert bernommen 3 4 2 Messungsaufbau Die erste Idee um die Drehzahl des Rotors zu messen war die Umdrehungen mit einem Light Dependent Resistor LDR zu erfassen Dazu wird ein Oszilloskop parallel zum Lastwiderstand geschaltet siehe Abbildung 15 Der LDR wird von einer Diode beleuchtet und hat nun einen kleinen Widerstand Ein am Rotor angebrachter Papierstreifen unterbricht den Lichtstahl zwischen Diode und LDR Die Folge ist dass der Widerstand steigt Das Oszilloskop zeigt so die Unterbrechungen an ber die Abst nde zwischen den Unterbrechungen kommt man auf die Drehfrequenz des Rotors Abb 15 Schaltplan mit LDR Der LDR hat einen Widerstand zwischen 1
132. ngeplant werden Diese wurden jeweils auf zwei Quertr gern angeschwei t Die Platten wurden aus 150 mm breitem und 15 mm starkem Halbzeug geschnitten da dieses bei der Firma Werfring lagernd war Die L nge der Platten betr gt 300 mm da so die Quertr ger weiter auseinander platziert werden konnten und damit die Montagearbeiten an der gesamten Anlage vereinfacht wurden An den Platten wurden jeweils f nf Bohrungen durchgef hrt eine mit einem Durchmesser von 38 mm f r die Welle und ein Bohrbild mit vier Bohrungen f r die Montage der Lager Dies kann man in Abbildung 23 sehen Bei diesen Bohrungen musste mit h chster Genauigkeit gearbeitet werden damit die beiden Bohrungen f r die Welle exakt bereinander liegen Team Savonius 29 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 23 ProE Zeichnung der Lagerplatten Gestell Durch Unebenheiten Pflanzen und andere Hindernisse wird der Wind in Bodennahe stark gebremst Aus diesem Grund war es erforderlich ein Gestell zu entwerfen Je h her der Rotor liegt desto besser jedoch bedeutet ein h heres Gestell auch h here Kosten Ein Kompromiss zwischen Kosten und Windst rke brachte das Ergebnis von einem 1500 mm hohen Gestell Bei der Materialauswahl mussten wir uns wieder nach dem Lagerbestand unseres Hauptsponsors richten F r das Gestell wurde 50 x 50 x 3 mm Halbzeug aus S235JR verwendet Die Grundfl che des Gestells ist quadratisch und da zun chst Windleitschaufeln mit
133. nius 46 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl rue ene Heu A bh tes As ra 2 Gen Aal AF A X 2 F b cos4141 2 F h h sin 41 41 2_ 2 Vw Vwkipp ee Arty ges de bz reen Ash 2 F b cos41 41 2 F h h sin 41 41 Vw V Wkipp Em Ach top Ap 3 ren Ach w 1 205kg a WAS ier 21m 11 0 75m 1125m 2 136 0 0875m 0 375m m 2 784 8N Im cos 41 41 2 784 8N 1 5m sin 41 41 my 20 23 A Vy 45 68 Die Stahlseile rei en bei einer Windgeschwindigkeit von 45 68 m s Diese Windgeschwindigkeit verursachen bereits starke Verw stungen an H usern und der Umgebung 4 2 5 Leistungsberechnung Die Tabelle 8 zeigt die im Wind enthaltene Leistung f r Windgeschwindigkeiten von 1 bis 20 m s Au erdem wird gezeigt wie viel Leistung dem Wind beim angenommenen Wirkungsgrad von 16 vom Savoniusrotor entnommen werden kann Windgeschwindigkeit Windleistung Nutzleistung 1 m s 0 43 W 0 07 W 2 m s 3 47 W 0 56 W 3 m s 11 71 W 1 87 W 4 m s 27 76 W 4 44 W 5 m s 54 23 W 8 68 W 6 m s 93 70 W 14 99 W 7 m s 148 79 W 23 81 W 8 m s 222 11 W 35 54 W 9 m s 316 24 W 50 60 W 10 m s 433 80 W 69 41 W 11 m s 577 39 W 92 38 W 12 m s 749 61 W 119 94 W 13 m s 953 06 W 152 49 W 14 m s 1190 35 W 190 46 W 15 m s 1464 08 W 234 25 W 16 m s 1776 84 W 284 30 W 17 m s 2131 26 W 341 0
134. nst ck 39 Abb 30 Belastungsfall der Welle AAA 41 Quelle http Awww springer com sqw cda pageitems document cda_downloaddocument 0 11855 0 0 45 71785 0 00 pdf Team Savonius 116 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 31 Flachensehwerpunkfe uu seu n u een 43 Abb 32 Anordnung der Gtablseile AAA 46 Abb 33 Seilkraft mit Komponenten 46 Abb 34 und 35 Bearbeitung der Steifigkeitscheiben 50 Abb 36 und 37 Plasmaschneider und Gest nge ssseeeesesseenrnrrreesesrrrrrren 50 Abb 38 Biegen der Rotorbleche an der automatischen Walze 51 Abb 39 Die verwendete Messuhr EEN 53 Abb 40 und 41 Zuschneiden des Gestells an der DBande ge 54 Abb 42 Die drei Fertigungsstufen des Gestells nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnenenneenn 55 Abb 43 Auseinanderbiegen der St tzen mit Hilfe der Winde 55 Abb 44 Erste Inbetriebnahme des Savoniusrotors sssssssssssrernreeseerrrreen 57 Abb 45 Stanzen der Verkleidungsbleche sssssessssssessesseserrrnnrrnnnrnsseerrrrrnn 58 Abb 46 Umdrehungs Leistungsdiagramm mit MPP zeigt den Verlauf bei konstanter Windst rke sr ee ee 60 Abb 47 Prinzip des Step Up Converter 62 Abb 48 Strom und Spannungsverlauf nn 63 Abb 49 Eherglebelraehlung esse ee 64 Abb 50 Step Up Converter Schaltung AAA 65 Abb 51 Step Up Converter Schaltung AAA 68 Abb 52 und 53 Isolierset und Mon
135. nternational Rectifier da diese f r das Schalten in h heren Frequenzbereichen geeignet ist Sie h lt konstant 16 A und Spitzenstr men von 32 A stand und h lt eine Spannung von 45 V aus Zur Verlustberechnung werden aus dem Spannungs Stromdiagramm im Datenblatt Anhang H die n tigen Werte ausgelesen Es wird ein Stromwert von 5 A angenommen und die zugeh rige Spannung abgelesen Ur 0 5 V P U I 0 5V 5A 2 5W Die Verluste von 2 5 W treten nur im durchgeschalteten Zustand auf K hlung Aufgrund der Leistungsberechnungen wurde entschieden die Halbleiter mit einem K hlk rper zu versehen Da alle drei Bauteile die beiden MOSFETS und die Schottky Diode direkt nebeneinander auf der Platine platziert waren konnte daf r ein einzelner K hlk rper verwendet werden Allerdings musste aus diesem Grund der K hlk rper isoliert angebracht werden Verwendet wird ein L Profil aus Aluminium mit Rin 4 K W Team Savonius 69 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Die Erw rmung des K hlk rpers kann folgenderma en berechnet werden T P R v ges th T r sch P P on Tr Bo a R PWM 25uS 0 9 1 3uS 25uS T osasw 2 5W 0 7W 4K IW 14 2344 C Zur Isolierung des K hlk rpers werden Glimmerscheiben und Gummibeilagscheiben verwendet Abb 52 und 53 Isolierset und Montage Optimierung Zur Verringerung der Verluste w ren noch weitere Optimierungen m glich Der Transistor sollte hie
136. omarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl muss reicht eine halb duplexe Daten bertragung ber die serielle Schnittstelle vollkommen aus 5 3 6 ICD2 amp Sonstiges Eine weitere Komponente ist die ICD2 Schnittstelle die uns das Programmieren des PICs in der eingebauten Schaltung erm glicht Weiters kann man mit Hilfe des ICD2 Steckers den PIC mit dem PC verbinden und debuggen Das hei t es gibt eine M glichkeit die einzelnen Programmschritte ber den PC zu kontrollieren und dabei eventuelle Softwarefehler leichter aufzufinden Der ICD2 Stecker hat f nf Pins wobei je einer f r Masse und Versorgung dient alle drei weiteren Anschl sse m ssen direkt mit dem PIC verbunden werden Nach Abschluss der Schaltungsentwicklung bleibt noch ein PIN frei Daf r eignet sich besonders der RBO als Interrupt Pin An diesem Pin k nnte noch ein Schalter f r eventuelle Erweiterungen der MPPT Schaltung angeschlossen werden Der Schaltplan befindet sich im Anhang G 5 4 Platinenlayout 5 4 1 Layout Nach dem Fertigstellen des vollst ndigen Schaltplans in Eagle konnte man mit dem Erstellen des Leiterplattenlayouts starten Mit der verwendeten Zeichensoftware Eagle ist es m glich direkt aus dem Schaltplan in den Layoutmodus zu wechseln Der Schaltplan wird gespeichert und ab diesem ersten Umschalten sozusagen verlinkt mit dem Layout Somit werden alle nachtr glichen nderungen in der Schaltung schnell und einfach im Leiterplattendesign mit
137. or ist auf 2 5 A ausgelegt Ist allerdings ausreichend Wind vorhanden w rde er auch mehr Strom liefern Eine solche berbelastung der Spulenwindungen w rde der Generator jedoch nicht lange verkraften Daher wird in dem Regelungsprogramm auch eine berwachung des Eingangsstromes vorgenommen um sicher zu gehen den Generator nicht zu Uberhitzen Ebenso wird f r die Ausgangsspannung ein Maximalwert festgelegt da die Akkumulatoren nur ber eine begrenzte Ladungskapazit t verf gen Ist diese erreicht darf keine weitere Energie an den Ausgang bertragen werden da es sonst zu schweren Sch den der Akkumulatoren und in Folge auch der Maximum Power Point Tracker Schaltung kommen kann Daher wird f r diesen Fall ein Bremswiderstand eingesetzt Dieser ist dazu in der Lage die gesamte Leistung aufzunehmen und in W rme umzuwandeln Au erdem ist in dem Programm auch eine Routine eingebaut die es erlaubt die Messwerte an den PC zu bertragen um diese anschlie end zu analysieren Da die Versorgung eines herk mmlichen Pegelwandlers vergleichsweise viel Energie ben tigt wird in dieser Applikation ein besonderer line powered Chip eingesetzt Bei diesem darf die Daten bertragung nur geschehen wenn der PC an die Schnittstelle angeschlossen ist und die Messwerte auch anfordert Team Savonius 88 Diplomarbeit 5 5 2 Hauptprogramm Start Initialisierung E f Esc ADC l_input l ADC U_input i ADC l_output l ADC U
138. os am Bremswiderstand in W rme umgewandelt Bevor die Akkus von der Ladestation getrennt werden d rfen muss auch der Generator abgetrennt werden Dazu bet tigt man zuerst den Schalter 2 Generator damit wird dieser weggeschaltet und es liegt keine Spannung am Eingang der Ladeschaltung Anschlie end wird der Schalter 1 Accumulator auf Aus geschalten Nun k nnen die Batterien gefahrlos gewechselt werden Beim wieder anschlie en muss wieder darauf geachtet werden dass die Akkumulatoren richtig verbunden werden Anschlie end wird wieder zuerst die Schaltung mit Strom versorgt in dem der Schalter 1 Accumulator auf Ein geschalten wird Abschlie end kann auch der Generator wieder zu geschaltet werden Damit l uft der Aufbau wieder und l dt die neuen Akkus Team Savonius 134 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Anhang E Messdaten Diplomarbeit Messdaten zur Belastungskennlinie Grohs Klimpfinger Lerch Redl ZS m se sl 38 N ES be 5 e oe 258 93 S 20 SS 2 S 55 3505 95S so 5 38 35 amp Z2 2855 S8 E cP 7305 g8 amp S I5 Ze iv cc z as R 30 111 4 min 3 49m s 7 5 m s 0 46 5 9V 290A 17 11W 183 01 Wl 9 35 138 t min 4 34m s 8 8 m s 0 49 7 3V 2 37A 17 30W 295 62 W 5 85 128 1 min 4
139. py CCPRIL the duty cycle in a temporary register increase the temporary register increase the temporary register add decimal 201 to test for too high duty cycle test for overflow if it is ok increase duty cycle increase duty cycle neeereasesoteyszeyelle clears the Carry bit CCPRIL He ORY the duty cycle in a temporary register th decreas temporary register peesu coc Ovearcrlon Oma 255 if its ok decrease duty cycle returns to main Team Savonius 97 Diplomarbeit USART Start l No No transmit 7 Transmit Uin Usart_flag set Set usart_flag transmit Uout transmit lout RCIF set Yes Clear usart_flag Clear RCIF HA End Abb 63 Flussdiagramm USART on Demand Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Redl Das Programm USART ist daf r verantwortlich festzustellen ob die Messdaten von einem an die serielle Schnittstelle angeschlossenen PC angefordert werden und diese gegebenenfalls zu bertragen Es erm glicht dem PC durch das Senden eines Zeichens die st ndige bertragung zu starten und durch ein weiteres Zeichen wieder zu stoppen Der Ablauf ist in Abbildung 63 leicht zu erkennen In der Routine wird zun chst berpr ft ob ein bestimmtes Bit das usart_flag Bit welches signalisiert dass Daten gesendet werden sollen gesetzt ist Wenn das Bit gesetzt ist wird f r jeden zu bertragenden Wert eine Sub
140. r ausgef hrt ist Das Gestell muss nach dem Aufrichten vor der Inbetriebnahme nieder gespannt werden Dazu sind Stahlseile mit Seilspannern an den vier Ecken vorgesehen Die Hacken an den Seilenden werden in die im Boden verankerten Heringe geh ngt und das Seil mit den Seilspannern gespannt Abb 76 Niederspannvorrichtung Bevor die Elektronik angeschlossen wird m ssen die Schalter in Aus Position sein Der durch den Rotor betriebene Generator wird unter Ber cksichtigung der elektrischen Polung an den Eingang des Maximum Power Point Trackers geschlossen Die zu ladenden 12 Volt Akkumulatoren werden in die daf r vorgesehene Wanne gestellt Sie m ssen in Serie Jeweils ein Pluspol des einen Akkus wird mit einem Minuspol des anderen Akkus verbunden ebenfalls unter Ber cksichtigung der Polung mit der Schaltung verbunden werden Team Savonius 133 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 77 Geh use Ladeschaltung Zuerst wird der Schalter 1 Accumulator bet tigt um die Schaltung mit Strom zu versorgen Anschlie end wird auch der Schalter 2 Generator bet tigt um diesen an den Eingang des MPPT zu schalten Der Aufbau ist nun betriebsbereit und nutzt die Windenergie optimal zum Laden der Akkumulatoren aus Akkuwechsel Nachdem die Akkumulatoren vollst ndig geladen sind m ssen diese ausgewechselt werden Solange dies nicht geschieht wird die durch den Rotor erzeugte Energie nicht genutzt und sinnl
141. r Anlage geleitet werden Allerdings bringen zu gro e Bleche konstruktive Probleme mit sich Das Gewicht spielt bei den Windleitschaufeln nur eine geringe Rolle da diese am Gestell und nicht am Rotor welcher besonders leicht sein soll angebracht werden Damit die um den Rotor mitlaufenden Luftwirbel nicht gest rt werden muss ein Abstand zwischen Leitschaufelinnenkante und Rotor vorhanden sein vgl Scha1987 S 287 A KS Se v2ovl ae Luftspalt Abb 9 Prinzip der Windleitschaufeln Der Nachteil der Leitbleche ist dass die Windunabh ngigkeit verloren geht Aus diesem Grund sollten m glichst viele Windleitschaufeln verwendet werden mindestens jedoch drei Am Modell wurde getestet wie stark sich die Schaufeln auf die Drehzahl des Rotors auswirken Au erdem wurde die optimale Stellung der Bleche ermittelt Team Savonius 14 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Dimensionierung Zunachst wurde Uberlegt die Anlage nur mit drei Windleitschaufeln auszulegen Durch die Erkenntnis dass die Windunabhangigkeit dadurch aber beeintrachtigt wird wurde beschlossen sechs Bleche anzufertigen Wegen des Gestells und den umgewinkelten Montageflachen ware das Verwenden von mehr Windleitschaufeln problematisch gewesen Die Montage der Schaufeln erfolgte durch Scheiben Uber und unter dem Rotor Diese sollten nicht bis zur AuBenkante der Leitschaufeln reichen sondern mussten nur genug Platz zur Montage der Windleitschaufeln bi
142. r Verstrebungen eingebaut sondern auch Metallwinkel am bergang von Beinen zu F en angeschraubt Die Komponenten wurden mit M5x50 Schrauben verbunden Damit der Rotor sp ter nicht schief steht mussten die beiden L cher der Quertr ger genau in der Mitte liegen Nachdem die Bohrungen mit einem Durchmesser von 20 mm in den Quertr gern gefertigt waren wurden f r ein besseres Erscheinungsbild und zur Verminderung der Verletzungsgefahr Fasen auf die F e geschnitten 3 3 2 Rotor Wie im Kapitel 3 2 2 schon erw hnt sollten die Rotoren aus zwei Lebensmitteldosen hergestellt werden Die notwendige K rzung der Dosen wurde mit einem Winkelschleifer durchgef hrt Die drei Teller wurden aus 1 mm starkem Stahlblech gefertigt welches uns aus Restbest nden der Firma R merquelle zu Verf gung gestellt wurde Der Gesamtdurchmesser des Rotors betrug 350 mm weshalb die Teller einen Durchmesser von ca 360 mm haben sollten Es stand allerdings kein geeignetes Werkzeug zur Verf gung um einen so gro en Radius anzurei en Ein Deckel eines Leimk bels entsprach allerdings ungef hr dem gew nschten Ma der Teller und wurde so als Vorlage verwendet Nach dem Anzeichnen der Kreise wurden die Teller grob mit einer Handtafelschere zugeschnitten um nachher den Tellern mit dem Winkelschleifer eine runde Form geben zu k nnen Zwar war diese Art der Fertigung nicht sehr professionell allerdings war die Rundheit der Teller f r das Modell zufrieden ste
143. rde die Schaltdauer des Leistungs MOSFET mit Hilfe der PWM vom PIC gesteuert Dabei wurde erkannt dass auch eine richtig arbeitende Elektronik bei falscher Einstellung schlechte Ergebnisse liefern kann Der PIC selbst arbeitet schneller als die Ladedauer der Kondensatoren in der Schaltung au erdem ist das Verhalten der kompletten Leiterplatte viel dynamischer als das Windrad Daher musste eine ausreichende Wartedauer f r richtige AD Wandlungen eingeplant werden da bei der analogen Messung ebenfalls Kondensatoren geladen werden m ssen Der Savoniusrotor ist auf Grund der Gr e und Masse tr ge im Gegensatz dazu ist die Elektronik bei einer Taktfrequenz von 10 MHz viel zu schnell Nach dem die korrekte Funktion des Programmcodes im Labor mit Hilfe von Netzger t und Solarpanel getestet wurde lieferte die gleiche Software am echten Rotor nur einen schwachen Wirkungsgrad Erst durch die ausf hrliche gemeinsame Testphase der Komponenten Savoniusrotor und Maximum Power Point Tracker konnten die passenden Einstellungen empirisch gefunden werden Es musste eine Verz gerungsschleife in der Regelung f r das pulsweitenmodulierte Ausgangssignal eingebaut werden damit es der Elektronik gelang den Maximum Power Point zu finden und ihn ber l ngere Zeit zu halten Die Ermittlung der idealen Einstellung wurde genauer im Kapitel 6 3 Messung mit MPPT ab Seite 110 beschrieben Team Savonius 114 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl
144. rden Die einzige Anforderung an diese Bauteile war dass sie den Innendurchmesser amp 40 mm aufwiesen Au endurchmesser H he und Material hatten eine gro e Toleranz Welle Die Welle sollte durchgehend von der Spitze des Rotors bis zum Generator reichen Die L nge der Welle ergab sich aus folgender Berechnung 2 Rotor Wellenverbindung 2 Steifigkeitsscheiben 3 Teller 2 Rotorbl tter 2 Lager 2 Lagerplatte 2 Tr ger Lagerabstand Wellenabsatz Team Savonius 28 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 2 26mm 2 3mm 3 2mm 2 600mm 2 44 5mm 2 15mm 2 50 mm 240 5 mm 279 mm 2002 5 mm Der Wellenabsatz am Schluss der Welle war f r das Anbringen des Generators vorgesehen Nach der Festigkeitsberechnung ergab sich f r den Wellendurchmesser der Wert von 35 mm Da das Axiallager aber einen Absatz auf der Welle ben tigt musste die Welle beim Rotor durchgehend 40 mm Durchmesser haben ber eine L nge von 1274 mm hat die Welle daher einen Durchmesser von 40 mm f r die n chsten 540 mm einen von 35 mm da die beiden Lager denselben Durchmesser haben Das letzte St ck das 200 mm lang ist hat einen Durchmesser von 25 mm Die Berechnung des erforderlichen Querschnitts befindet sich im Kapitel 4 2 3 4 1 2 Gestell Lagerplatte Da der Durchmesser der Lochkreise auf den Lagern zu gro war um die Lager direkt auf die Tr ger des Gestells zu schrauben mussten zwei Lagerplatten ei
145. rf r einen m glichst geringen On Widerstand Roson und k rzere Schaltzeiten besitzen Die Schaltzeit kann au erdem durch parallel schalten eines zweiten Transistors verringert werden Bei der Spule und dem Kondensator muss der Widerstand verringert werden Beim Kondensator kann hierbei auf eine Parallelschaltung mehrerer gro volumiger Kondensatoren zur ckgegriffen werden was nicht nur den ESR Widerstand senkt sondern auch das Ripple der Ausgangsspannung Die Spule kann nur durch k rzere Leitungen einen geringeren Widerstand erhalten daher w re ein Magnetkern mit einer h heren Permeabilitat einsetzbar um so auf mehrere Drahtwicklungen verzichten zu k nnen Durch eine h here Schaltfrequenz des Step Up Converters lie e sich ebenfalls die Baugr e der Spule verringern Team Savonius 70 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 5 3 Beschreibung des MPPT Schaltungsaufbau Das Blockschaltbild auf welches alle folgenden Beschreibungen bezogen sind sieht wie folgt aus ks amp m RS232 ICcD2 I LED r 1 PIC 16F88 7 2 Quarz 4 Step up Konverter 2xU 2xl 1x SHDN 1x PWM 1 x Bremsen Abb 54 Blockschaltbild Zum verbesserten Verstandnis der Beschreibungen wird auch der Schaltplan aus dem Anhang G ben tigt 5 3 1 Anforderungen Der Step Up Converter ist das Herzst ck der Elektronik des Maximum Power Point Trackers F r die Steueru
146. rten berschrieben um sie f r den n chsten L_byte abgezogen und das Carry Bit getestet Ist dieses Null wird Zero 1 dem neuen Wert ist Sind die Werte gleichgro wird Vergleich zu sichern Programmcode compare Ebbe compare KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK compare NOP BCF STATUS RPO select Bank 0 BCF SEIFANBUSPIRBAN select Bank 0 MOVE W RO al SUBWF H_byte W Bi el Joie PO at GE Eet sei EE inverse Logic BTFSS SAR SE pai H_byte is bigger GOTO DC_change BTFSS SES ROSE IE H_byte D Skilo nese alse Ale als GOTO E MOVFW ROSE skip next PO H and SUBWF L_byte W 7 W L_byte PO_L BIERS O SAMUS E Bae Ib Joyce alg loshefoesc Eile imSoxic GOTO DC_change BTFSS EE COSE LE Loyce RO L and p skio mexe Li abe LS GOTO PSESE GOTO DESA DC_change MOVEW toggler toggles the bit that defines Team Savonius 95 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl XORWF marker f the change of the duty cycle BSF marker dcd_flag GOTO comp_end because power was decreased past_so ZOE CELONnalSy notschangee nop because power was increased BSE manker Ee ae ene GOTO comp_end DC_gar nothing is changed because nop dEr Ee Elo J8ISIS BCF marker dcd_flag GOTO comp_end comp_end MOVE W H_byte save High register of power result MOVWE BOSH MOVFW L_byte j save LOW register OE power r
147. s 10 0 m s 0 85 19 0 V 1 26A 23 94W 433 80 W 5 52 Team Savonius 136 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 209 1 min 6 57 m s 8 8 m s 0 75 10 7V 1 15A 12 31 W 295 62 W 4 16 272 1 min 8 55 m s 9 3m s 0 92 23 0 V 1 46 A 33 58 W 348 93W 9 62 253 1 min 7 95 m s 9 1m s 0 87 20 6 V 1 34A 27 60 W 326 90 W 8 44 230 1 min 7 23 m s 8 6 m s 0 84 18 8V 1 25A 23 50 W 275 92W 8 52 214 1 min 6 72 m s 8 8 m s 0 76 17 8V 1 17A 20 83 W 295 62 W 7 04 224 1 min 7 04 m s 8 5 m s 0 83 18 3 V 1 22 A 22 33 W 266 41 W 8 38 277 1 min 8 70 m s 9 3m s 0 94 225V 146 A 32 85 W 348 93W 9 41 105 1 min 3 30 m s 7 0m s 0 47 81V 0 54A 4 37W 148 79 W 2 94 125 1 min 3 93 m s 7 5m s 0 52 9 8V 0 64 A 6 27 W 183 01 W 3 43 115 1 min 3 61 m s 6 8 m s 0 53 9 3V 0 60 A 5 58W 136 40 W 4 09 161 1 min 5 06 m s 8 0 m s 0 63 12 5V 0 80A 10 00W 222 11W 4 50 143 1 min 4 49 m s 7 8m s 0 58 11 2V 0 76 A 8 51 W 205 86 W 4 13 185 1 min 5 81 m s 8 8 m s 0 66 14 9V 0 97A 14 45 W 295 62W 4 89 178 1 min 5 59 m s 7 1m s 0 79 14 2V 0 91A 12 92W 155 26 W 8 32 153 1 min 4 81 m s 7 8m s 0 62 12 3V 0 81 A 9 96 W 205 86 W 4 84 213 1 min 6
148. s Laufen der Welle verursacht werden k nnte Der n chste L sungsansatz war die Wellen mit einer Passung zusammen zustecken und mit jeweils einer Wurmschraube pro Seite zu verschrauben Dazu wurden zun chst die beiden Wellen gefertigt wobei auch Zentrierbohrungen f r den Rollk rner angefertigt werden mussten Der Einsatz des Rollk rners war bei den noch immer langen Wellen unbedingt n tig Zun chst wurden 35 mm lange Bohrungen mit dem Durchmesser 15 5 mm vorgearbeitet und danach die Passungen 16F8 mit einer Reibahle gefertigt Der Bolzen welcher die beiden Wellen verbindet wurde auf die Passung 16h9 und auf die L nge 60 mm gedreht Auf der ganzen L nge wurde er auf einer Breite von ungef hr 3 mm geschliffen damit die Luft beim Einschlagen ausstr men kann Nachdem die Bohrungen und Gewinde f r die beiden Wurmschrauben an einer Fr smaschine fertig gestellt wurden wurde der Bolzen zur zus tzlichen Sicherheit in beiden Wellen mit Metallkleber geklebt Obwohl eine Passung verwendet wurde war nach dem Verbinden der Wellen noch immer so viel Spiel vorhanden dass die Welle durch den einseitigen Druck verursacht durch die Wurmschrauben einen leichten Knick erhielt Eine L sung f r dieses Problem w re gewesen weitere Wurmschrauben in die Welle zu treiben Es wurde aber beschlossen auf die Vorz ge einer teilbaren Welle zu verzichten und lieber die Stabilit t zu f rdern Deshalb sollten die beiden Wellen verschwei
149. ses K rpers der Str mungsgeschwindigkeit und der Luftdichte Der Einfluss welchen die Form des K rpers hat wird mit dem Widerstandbeiwert cy bestimmt Da in dieser Formel die Luftdichte eine bedeutende Rolle spielt wird sie hier angef hrt kg 3 m Luftdichte p 1 205 20 1 bar Mit der folgenden Formel kann man sich die Kraft ausrechnen die entsteht wenn Wind auf einen K rper trifft Fy sey 5 Avy EG q i Abb 3 Wind bl st auf die projizierte Fl che A des Rotors 3 vgl HAUE2003 S 85ff e Team Savonius 7 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Das Prinzip des Widerstandlaufers siehe Abbildung 4 der Savoniusrotor ist ein Vertreter dieser Rotorart ist dem Wind Widerstand entgegenzusetzen und sich so antreiben zu lassen Abb 4 Prinzip des Widerstandl ufers Cw Ist der Luftwiderstandsbeiwert der sich aus Form und Gr e der angeblasenen Fl che ergibt und kann der Abbildung 5 entnommen werden Widerstandsziffer Cw Abb 5 Luftwiderstandsbeiwert e Team Savonius 8 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 2 3 3 Schnelllaufzahl Der Leistungsbeiwert ist abhangig von Wind und Umfangsgeschwindigkeit des Rotors Dieses Verh ltnis bezeichnet man als Schnelllaufzahl A Die Umfangsgeschwindigkeit wird auf dem u ersten Punkt des Rotors gemessen _ Umfangsgeschwindigkeit SchnelllaufzahlA ESS Vy Windgeschwindigkeit Ivgl HAUE2003 S 90ff
150. sich nach dem Durchmesser des Rotors welcher 600 mm betr gt F r Montage und Schwei n hte wurden an beiden Seiten 10 mm hinzugerechnet woraus sich der Tellerdurchmesser von 620 mm ergibt Die Fachliteratur spricht bei Stahlblech von einer Mindestst rke von einem Millimeter vgl SCH2005 S 12 Da es aber nicht m glich war verschiedene Wandstarken auszuprobieren wurde eine Tellerst rke von 2 mm gew hlt Ein nur 1 mm starker Teller h tte f r Probleme beim Verschwei en von Tellern und Rotorbl ttern gesorgt da d nne Bleche beim Schwei en leicht durchbrennen Team Savonius 26 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl In Abbildung 20 kann man erkennen wie die Teller anzufertigen waren Abb 20 ProE Zeichnung der Teller Steifigkeitsscheiben Wie bereits erwahnt sollte der Rotor und somit auch die Steifigkeitsscheiben aus nicht rostendem Chrom Nickel Stahl X5CrNi18 10 gefertigt werden Die Seifigkeitsscheiben wurden deshalb verwendet weil bef rchtet wurde dass sich die Teller durch das Gewicht der Rotorblatter hinab biegen k nnten Auf die stabilisierenden Speichen sollte man bei dieser Rotorgr e nicht verzichten da sonst zu gro e Materialst rken f r die Teller erforderlich w ren SCHU2005 S 16 Statt Speichen wurden Scheiben verwendet weil das Verbinden von Speichen und Tellern die Teller wom glich verformt h tte Da die Steifigkeitsscheiben 3 mm dick sind verf gen sie ber eine hohe Mass
151. sind f r den Betrieb und m gliche Erweiterungen an der Anlage bedeutend Modell Das Modell des Savoniusrotors wurde in Verbindung mit dem selbstgebauten Windkanal zur Ermittlung erster Kenndaten des Rotors verwendet Wie im Nachhinein erkannt wurde sind viele der gemessenen Leistungswerte wenig brauchbar Das Hauptproblem ist dass der erzeugte Wind des L fters keine nat rlichen Windverh ltnisse simuliert Das hei t dass auch die Reaktionen des Savoniusrotors nicht komplett realistisch sind F r die Testphase w re es durchaus sinnvoll gewesen schon im Freien vor allem im sp teren Einsatzgebiet mit dem Modell zu testen Die Werte aus dem Windkanaltest mit der L fterschaltung lieferten au erdem nur Werte f r den unbelasteten Savoniusrotor das hei t die Anlaufwindgeschwindigkeit ist bedeutend niedriger Ein Test im Freien liefert realistischere Werte Zur Motordimensionierung kann man f r einen Windradprototypen aber am besten die Daten nur am Original messen Korrekte Messungen an Windkraftanlagen W hrend den Tests am Rotormodell wurden vor allem bei der Messung der Windgeschwindigkeit wichtige Informationen gesammelt Das Modell diente nicht unbedingt nur zum Kennen lernen des Rotorverhaltens sondern auch zum Austesten der idealen Messbedingungen W hrend der Windmessung darf man nur kurzzeitig den Windkanal unterbrechen ansonsten bricht die Rotordrehzahl schlagartig ein und ben tigt erneut eine l ngere Anlaufzeit Um richti
152. sorgungsleitungen sollten auf jeden Fall m glichst dick ausgef hrt werden Weiters ist die Verlegung von PWM Leitungen wichtig Pulsweitenmodulierte PWM Signalleitungen m ssen m glichst kurz gehalten werden au erdem d rfen sie nicht parallel zu analogen Messleitungen verlegt werden und sollten nur wenig bis gar keine Kreuzungen beinhalten Weiters muss darauf geachtet werden Messleitungen ebenfalls kurz und st rungsfrei zu verlegen um gro e Messfehler vermeiden zu k nnen Leiterplattengr e Eagle Versionen Gleich zu Beginn der Designentwicklung musste die Leiterplattengr e in Eagle eingestellt werden um danach mit dem Platzieren der Bauteile beginnen zu k nnen Es wurde f r unsere Maximum Power Point Tracker Schaltung eine Europlatine mit den Abma en 160 mm x 100 mm ausgew hlt denn bei dieser Gr e konnten alle Leiterbahnen gut verlegt werden und es bleibt Platz f r K hlk rper und gro e Bauteile wie Spule und Kondensatoren Um mit Eagle eine Leiterplatte in der Gr e einer Europlatine entwerfen zu k nnen ben tigt man bereits den License Key f r die Standard Edition Bei Eagle unterscheidet man zwischen mehreren Editionen die je nach Ausf hrung mehr oder weniger Einschr nkungen haben und dadurch f r bestimmte Benutzergruppen bestimmt sind Mit dem Freeware Key erh lt man nach der Installation die Light Edition und ist damit auf eine Platinenfl che von 100 mm x 80 mm halbe Europlatine beschr nkt Au er
153. sprobiert werden Die erste Team Savonius 57 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Ubersetzung betrug 1 2 von Welle zu Generator lieferte aber kein zufrieden stellendes Ergebnis Aus diesem Grund wurde die bersetzung auf 1 3 erh ht Mit dieser bersetzung wurde erreicht dass der Rotor schon bei geringen Windgeschwindigkeiten 3 m s anl uft und daher wurden die sp teren Tests mit dieser bersetzung durchgef hrt Die Gesamt bersetzung von Welle zu Generator betr gt nun 14 2 4 3 6 Endmontage Rotor und Gestell wurden getrennt und die Rotorbl tter an die Teller geschwei t da keine Ver nderungen mehr durchgef hrt werden mussten Die Schwei n hte waren eine gro e Herausforderung da die Wandst rken der Rotorbl tter nur 1 25 mm und die der Teller 2 mm betrugen Es musste mit geringem Strom 66 A und schneller Vorw rtsbewegung geschwei t werden da eines der Bleche sonst h tte durchbrennen k nnen Trotzdem musste ein Schwei bad erzeugt werden um die beiden Teile richtig zu verbinden Hier wurden die Schwei n hte mit einem Beizger t geputzt und auch die Lagerplatten wurden fertig verschwei t Als n chstes wurde die Verkleidung angefertigt Dazu mussten alle Bleche zugeschnitten und gestanzt siehe Abbildung 45 werden w hrend am Gestell noch eine Verstrebung an der gegen berliegenden Wand der Plexiglasscheibe und f r die Deckel zwei St tzpl ttchen angebracht wurden Um die Blechplatten zu montieren
154. sucht werden Uber die Lagerplatte wird die Gewichtskraft des Rotors 461 07 N auf die zwei Quertrager Team Savonius 42 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl aufgeteilt Da die Trager auf beiden Enden verschwei t sind wirkt auf einer Seite nur noch Fe 4 Laut RMTB2001 Tabelle 6 6 ist die zul ssige Spannung Ozu f r Schwei n hte bei S235JR 207 N mm Fo 431 07N ea eh gg ee A a l 2mm 50mm mm i vgl RMME2001 Gig 6 18 Da die auftretende Spannung sehr viel kleiner als die zulassige Spannung ist und im gesamten System sonst keine h heren Beanspruchungen auftreten bestand keine Notwendigkeit weitere Festigkeitsnachweise f r Schwei n hte zu erbringen 4 2 4 Seilkraftberechnung Abb 31 Fl chenschwerpunkte Team Savonius 43 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Bezeichnung MaBeinmm_ Beschreibung hy 1200 H he des Rotors h2 750 H he der Verkleidung hg 750 Halbe H he der Standbeine b 600 Durchmesser des Rotors b 1000 Breite des Gestells bs 50 Breite des Formrohrs l4 2100 Abstand von 0 bis zum Schwerpunkt des Rotors l2 1125 Abstand von 0 bis zum Schwerpunkt der Verkleidung l3 375 Abstand von 0 bis zum Schwerpunkt der Standbeine D gesucht Abstand von 0 bis zum gesamten Schwerpunkt Tab 6 MaBe des Savoniusrotors zur Bestimmung des Flachenschwerpunkts Der Flachenschwerpunkt der gesamten Anlage ergibt si
155. t die lagerspezifische dynamische Tragzahl und entspricht in diesem Fall 15 KN siehe Anhang H P hei t dynamische quivalente Lagerbelastung und ist die zuvor berechnete Lagerbelastung p ist der Lebensdauerexponent der f r Kugellager 3 lautet vgl RMME2001 S 475 F r die Drehzahl wurde als Richtwert die Drehzahl des Modells gew hlt Team Savonius 37 Diplomarbeit Lebensdauer f r das Lager A p ge A JI 15kN F 0 82kN Lio 6089 10 Umdrehungen _10 L 10 6089h Lu eee ch Ten 60 432min Lon 234950h Lebensdauer f r das Lager B C P ak P 3 ra E sel SRN Anl 1 27kN Lio 1654 10 Umdrehungen 10 Lo _ 10 63786h 60 n 60 432min Lu 63792h Lion Team Savonius Grohs Klimpfinger Lerch Redl 38 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 4 2 3 Festigkeitsberechnungen Ermittlung des erforderlichen Querschnitts fur die Welle In Abbildung 28 ist zu erkennen wie die Welle belastet wird Abbildung 29 zeigt den Momentenverlauf l 2 l Ey F E Abb 28 Kr fteverlauf auf dem belasteten Wellenst ck Abb 29 Momentenverlauf auf dem belasteten Wellenst ck Team Savonius 39 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Daraus ergibt sich folgende Berechnung f r das Biegemoment M Fy 1 L F d M 447 1N 993mm 350mm M 287498 16Nmm 287 5Nm Die zul ssige Biegespannung op muss kleiner sein als Grenzspannu
156. tage AEN 70 Quelle www conrad at Abb 54 Blockschaltbild EE 71 Abb 55 EH DEI eebe eege tee SE 77 ADb 56 EAVOUR TOD aissent na ee 81 dE EE waere aa E EEE ER EEN 81 Abb 58 Platine Tops ee 83 Abb 59 i GE Ee eu BEE 83 Abb 60 Tests mit dem Solarpane uuuuussssssssnnnnnnnnnsnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnn 86 Abb 61 HauptRlussdiagramiM iesse ege Geier 89 Abb 62 Flussdiagramm f r compare 94 Abb 63 Flussdiagramm USART on Demand 98 Abb 64 Versuchswagen AEN 99 Abb 65 Belaetungsdagoramm 101 Abb 66 MPPT im Savonius cso rte cess eed ot ees Eee eee eames 102 Abb 67 Kennlinie mit MPPT 48 nderungen pro Sekunde 103 Abb 68 Kennlinie mit MPPT 2 nderungen pro Sekunde 104 Abb 69 Kennlinie mit MPPT 5 nderungen pro Sekunde 105 Abb 70 Kennlinie mit MPPT 12 nderungen pro Sekunde 106 Abb 71 berlagerte Kennlinie MPPT und Potentiometer 107 Team Savonius 117 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Abb 72 Eingangswerte am MPPT 110 Abb 73 Ausgangswerte am MPPT 110 Abb 74 Leistungswerte an Ein und Ausgang des MPPT 111 Abb 75 Wirkungsgrad des MDDI 111 Abb 76 Nederspannvorchtung 133 Abb 77 Geh use Ladeschaltung AEN 134 Abb 78 L fterschaltplan dE 175 Abb 79 L tterplatnenlavout AEN 176 Abb 80 Verwendetes Layout Top 179 Abb 81 Verwendetes Layout Bottom EE 179 Abb 82 Optimiertes Layout Top ea EHEN 180 Abb 83 Optimi
157. ten 256 8 MHz 31 25 kHz Die Steuerung des Transistors muss mit einer Pulsweitenmodulation in einem Frequenzbereich von 35 bis 70 kHz erfolgen Der interne Oszillator ist daher f r die Steuerung des Step Up Converters ungeeignet es wird ein externer Quarz ben tigt Die Berechnung mit einem 10 MHz Quarz ergibt ein brauchbares Ergebnis von ca 40 kHz PWM auch eine noch schnellere Oszillatorfrequenz w re denkbar 10 MHz Quarz 10 MHz aufgeteilt f r 8 Bit Team Savonius 74 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 2 M glichkeiten 256 10 MHz 256 39 0625 kHz Der externe Quarz ben tigt zwei Pins des PIC16F88 Eine weitere wichtige Erweiterung der Schaltung ist die M glichkeit einer Notabschaltung Dazu muss ein Ausgang mit einem leistungsstarken MOSFET Transistor verbunden werden der einen Bremswiderstand aktiviert um den Rotor auch ohne Last zu bremsen Der Widerstand liegt im 5 bis 10 Q Bereich und h lt hohe Leistungen aus wodurch der Rotor ber den Generator elektrisch belastet und gebremst wird Diese Option muss dann aktiviert werden wenn auf Grund der vollst ndigen Aufladung des Akkus keine weitere Ladung mehr vorgenommen werden darf Um die Batterien vor berladung sch tzen zu k nnen muss bei Vollladung die Weiterladung verhindert werden k nnen Die Belastung des Generators erfolgt dann ber den Bremswiderstand und damit wird der Rotor durch die Belastung gebremst ohne au er Kontrolle zu geraten
158. the data or not for USART Transmission flag define to increase decreas flag de variabl variable for Delay loops variable for Delay loops flag Reg for changing direction of DC variable used for changing DC Register for inverting ccp_flag Flag Register voltage input current input voltage output eurrent output 220 DC Diplomarbeit PO_H EQU 0x34 PO_L EQU 0x35 mulcnd EQU 0x36 mulplr EQU 0x37 H_byte EQU 0x38 L_byte EQU 0x39 peak_voltage EQU peak_current EQU delayer EQU 0x55 rs232 1 EQU 0x74 rs232 2 KOU 0x75 0x4 0x4 Grohs Klimpfinger Lerch Redl High byte of the old result Low byte of the old result G G 4 G ne ne ne ne 4 8 bit mul tiplica 8 bit mul Feler Reg for program temporary temporary High byte of the the maximum valu nd 16 bit result Low byte of the 16 bit result e of charging voltage the maximum valu e of current load RS232 RS232 passes before DC chancing Register Register ioa a a aa e Ee ek ORG GOTO 0x000 Init processor reset vector go to beginning of program po ROR Ke Delay Schleife KKEKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKKK delay_mks BCF STATUS RPO BCF STATUS RP1 MOVWE mikro delayl MOVLW 298 MOVWE mikro_2 delay2 NOP NOP
159. timum sein konnte weswegen in der Fachliteratur ber Savoniusrotoren das richtige Verh ltnis von H he zu Breite herausgesucht wurde Es wurde herausgefunden dass das Verh ltnis von H he zu Breite nicht 1 1 sondern 2 1 ist Die Angabe des richtigen Verh ltnisses ist nicht sehr genau weshalb das falsche Verh ltnis nicht weiter zu beachten war da es die Funktionsweise des Rotors nicht empfindlich st rte Um die Montage zu erleichtern sind die Teller einige Millimeter breiter als der Gesamtdurchmesser Die Teller erhielten eine Bohrung f r die Welle in der Mitte und die Teller wurden mit Winkeln an den Rotorbl ttern angenietet Die Konstruktion kann man in Abbildung 8 sehen Abb 8 Der Rotor in ProE konstruiert Team Savonius 13 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 3 2 3 Welle Als Welle wird eine Gewindestange verwendet So k nnen die Lager und der Rotor mit Muttern fixiert werden Der Durchmesser der Stange betragt 8 mm da diese aus Restbestanden der Firma R merquelle verf gbar war 3 2 4 Windleitschaufeln Grundlagen Die Idee hinter den Windleitschaufeln besteht darin Wind der sonst ungenuizt bleiben w rde zum Rotor hin zu leiten Da der Abstand zwischen den Blechen zum Rotor hin abnimmt wird die Geschwindigkeit der einstr menden Luft erh ht und somit auch die Drehzahl der Windkraftanlage gesteigert Grunds tzlich gilt dass je weiter die Leitschaufeln vom Rotor weg ragen desto mehr Wind kann zu
160. tinen werden ausgef hrt Programmcode delay SKERI KEEKEKE ARRERA KEEKEEKE AR kkk Kk delay DECH delayer BTFSS STATUS 3 goto main MOVLW 4 load delayer 4 for 5 skips MOVWE delayer Team Savonius 93 Diplomarbeit compare Grohs Klimpfinger Lerch Redl In diesem Unterprogramm wird daf r gesorgt dass der Step Up Converter m glichst optimal betrieben wird also der Maximum Power Point verfolgt wird Es wird festgestellt ob das Tastverh ltnis der PWM erh ht verringert oder gleich bleiben soll und damit der Savoniusrotor mehr weniger oder gleich belastet wird Zum besseren Verst ndnis dient die nebenstehende Abbildung 62 Dem Programm steht in den Registern PO_H und PO_L der alte und in H_byte und L_byte der neue Leistungswert berechnet durch die anderen Unterprogramme zu Verf gung W H byte PO_H W L_byte PO_L Kn Yes o ED Yes DC_dont past_so DC_change v4 p comp_end ENDE Abb 62 Flussdiagramm f r compare Zun chst werden die beiden h herwertigen Bytes PO H und H_byte miteinander verglichen Dabei wird zun chst PO_H in das Working Register W Reg geladen und anschlie end vom H_byte subtrahiert Danach kann wie bereits im Programm limit_voltage erkl rt anhand des Carry Bits im STATUS Register festgestellt werden ob der alte Wert in PO_H gr er ist Ist PO_H gr
161. treten auf Grund von Windb en und Windgeschwindigkeits nderungen fast nie konstante Eingangswerte auf Der Maximum Power Point Tracker musste laufend nachstellen ein pl tzlicher Spannungseinbruch ist dagegen beim Windrad kaum m glich Daher lieferte die passende Einstellung des MPPT vom Solarpanel am Rotor schlechte Ergebnisse Andererseits konnte die tr ge Regelung f r den Rotor am Solarmodul nicht den Maximum Power Point finden 5 4 4 Verbesserungen an Schaltplan und Layout W hrend des Aufbaus und der Fertigung der Leiterplatte mit dem geplanten Layout konnten noch Optimierungsm glichkeiten entdeckt werden Da f r die Transistoren des Typs BSS89 eine falsche Pinbelegung in Eagle eingestellt wurde mussten als Folge daraus alle Bauteile dieses Typs um 60 verdreht eingebaut werden F r die Schaltungsfunktion nderte sich dadurch nichts abschlie end wurde das korrekte Layout entworfen mit der korrigierten Version kann man die BSS89 wie dargestellt einbauen Das optimierte Layout k nnen Sie den Abbildungen 82 und 83 in Anhang G entnehmen Weiters wurden unn tiger Weise drei gleiche 47 kQ Widerst nde als Pull down Widerst nde f r die BSS89 Transistoren eingebaut In diesem Fall reicht ein Widerstand vollkommen aus mit einem einzelnen hochohmigen Widerstand kann man sogar die Verluste verringern Diese nderung erkennt man im korrigierten Schaltplan und im Layout Abbildung 82 und 83 in Anhang G Team Savonius 86 Diplomar
162. trieb erfolgt wurde ein Kettenspanner gefertigt Dieser hat ein Langloch das parallel zur Kette verl uft So kann der Motor der auf einer Platte sitzt die am Kettenspanner montiert ist passend verschoben werden Dadurch wird die Kette gespannt Nach dem Montieren der Motorbefestigung wurde das Gestell Weise durch Mitarbeiter der Firma Werfring lackiert Team Savonius 59 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl 5 Der Maximum Power Point Tracker 5 1 Allgemeines Das Prinzip vom MPPT Der Maximum Power Point Tracker MPPT ist die elektronische Komponente des Gesamtaufbaus die daf r sorgt dass die Leistung des Savoniusrotors m glichst optimal in elektrischer Form in einen Akkumulator gespeist wird Er besteht aus einem Step Up Converter der die geringere Eingangspannung des Gleichstromgenerators auf ein h heres Niveau wandelt um so den Akkumulator st ndig zu laden Die Funktion des Step Up Converters wird in Kapitel 5 2 1 Prinzip des Step Up Convertes erkl rt Durch das Schalten des Step Up Converters wird jedoch nicht nur die Ausgangsspannung zum Laden des Akkus bestimmt sondern auch der Ersatzwiderstand also die Last die auf den Generator und somit auch auf den Savoniusrotor wirkt Um diese Last an die gegebenen Windverh ltnisse anzupassen und den Aufbau im Maximum Power Point optimale Leistungsentnahme zu betreiben muss der Wandler also geregelt werden Dies wird in Abbildung 46 gezeigt P Watt M R
163. ufgebaut werden Es w re zu schwer gewesen das Modell im nat rlichen Wind zu testen da der Wind bdig ist und somit keine konstante Windgeschwindigkeit hat Um Messkurven aufnehmen zu k nnen war aber ein konstanter Wind n tig Zur Erzeugung des k nstlichen Windes diente ein BMW L fter Da dieser auf einer H he mit dem Modell stehen soll ben tigte auch er ein Gestell Dieses wurde aus Holz von einem ausrangierten Bett gefertig da an das Material keine hohen Anspr che gestellt waren Auch die Stabilit t und Festigkeit des Aufbaus war nicht sonderlich von Bedeutung da auf den L fteraufbau keine gro en Kr fte wirkten Der Aufbau des Windkanals ist in der nachstehenden Abbildung 13 zu erkennen Der Abstand zwischen L fter und Rotormodell wurde markiert um sicherzugehen dass die Messungen immer unter gleichen Bedingungen durchgef hrt wurden 3m Abb 13 Skizze des Windkanals Abb 14 Foto vom Windkanal Team Savonius 19 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Die Steuerung des Lifters wurde selbst gefertigt Es sollte m glich sein den L fter stufenlos ber ein Potentiometer ansteuern zu k nnen Da als Versorgung f r den L fter ein 12V Akkumulator n tig war um diesen mit 12V und 20A zu versorgen stand ausreichend Leistung zur Verf gung um auch die Steuerung ber den Akkumulator mitzuversorgen Der Schaltplan der Steuerung befindet sich in Anhang G Da bereits eine Testplatine aus dem Labor die Anforderu
164. uleiten Um den Rotor windrichtungsunabh ngiger und leistungsf higer zu machen wird ein weiteres Rotorpaar um 90 verdreh t dar ber angebracht Ein drittes Rotorpaar w rde die Leistung nur gering steigern Die einzelnen Stufen werden durch Teller getrennt Zwischen Rotor und Gestell muss ein Abstand von mindestens 500 mm vorhanden sein um das mit dem Rotor mitrotierende Luftfeld nicht zu st ren Die Kraftabgabe an eine vertikale Welle welche bis in Bodenn he gef hrt werden kann erm glicht es wahlweise verschiedene Arbeitsmaschinen anzutreiben So 1 vol SCH2002 S 5ff e Team Savonius 3 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl k nnte bei schwachem Wind eine Wasserpumpe angetrieben werden und bei starkem Wind elektrische Energie gewonnen werden Diese Vorgaben wurden von den Autoren experimentell ermittelt erforscht und von uns bernommen Auch f r Wandst rken und Material gibt es in der Fachliteratur einige Vorschl ge welche teilweise in die Konstruktion eingeflossen sind 2 3 Theorie Die aerodynamische Auslegung von Savoniusrotoren verlangt mehr als die Kenntnis elementarer physikalischer Gesetzm igkeiten der Energiewandlung Dem Konstrukteur stellt sich ein gro es Problem Er muss den richtigen Zusammenhang zwischen der konkreten Formgebung des Rotors der Anzahl der Rotorstufen und der aerodynamischen Eigenschaften finden Die Berechnungsmodelle zur aerodynamischen Auslegung von Savoniusrotoren zu
165. us F r eine zul ssige Schwankung des Ausgangssignals gilt folgende Formel C gt Lou PC f dU Out Bei gr eren Laststr men und h heren Schaltfrequenzen f gt 10 kHz wirkt sich der ESR noch st rker aus a Lox ESR Au erdem gilt dU p DC Team Savonius 65 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Bauteilermittlung Folgende Parameter wurden zur Dimensionierung des Step Up Converters festgelegt Uen mx 26V Vol die maximal auftretende Eingangsspannung lEin Max S50 i Daa der maximale Eingangsstrom Ucwwm AN die minimale Eingangsspannung lenmin 0 5A der minimale Eingangsstrom F 40 000 HZ a die Schaltfrequenz des Transistors ESR 60mMQ hun angenommener Innenwiderstand Al 20 len die Welligkeit des Spulenstroms Mit diesen Angaben kann die Berechnung durchgef hrt werden Induktivit t F r die Induktivit t ergibt sich folgende Berechnung EE Lun 27 6 v 26 v SE Sak SE l 27 6V 40 000 Hz Luin 37 681 10 H 37 uH 1 EE EAR 1 4V 1 Lux 07 6 V 4 V x CS P EH Lech sl Luss 855 072 10 H 855 uH Die Spule muss neben der berechneten Induktivit t auch einen ausreichend gro en Drahtquerschnitt besitzen um den Spulenstrom auszuhalten Da keine geeignete Spule bei einem H ndler in kurzer Zeit erh ltlich war wurde diese selbst gewickelt Team Savonius 66 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Daf r wurde ein 2mm lackisolierter Kupfer
166. verhindert dass Strom in die falsche Richtung zum Ausgang flie t Ist die Spule entladen bevor der Schalter wieder geschlossen wird sinkt der Spulenstrom auf Null ab der Strom l ckt Man spricht von der so genannten GAP Zeit im diskontinuierlichen Betrieb Im Normalbetrieb beziehungswei e kontinuierlichen Betrieb eines Aufw rtswandlers sollte dies nie auftreten Team Savonius 62 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Ebenso wie am Ausgang wird auch am Eingang des Aufwartswandler ein Kondensator parallel geschaltet Die Kapazit ten dienen dazu das Ein und Ausgangssignal zu gl tten und konstant zu halten beziehungswei e einen pl tzlichen Spannungseinbruch zu verhindern Mit seiner Ladung wird die Schaltung beziehungsweise die Last versorgt wenn sonst kein Strom zur Verf gung stehen w rde Dadurch wird die Welligkeit des Signals verringert Im der folgenden Abbildung 48 lassen sich die Spannungs und Stromverl ufe erkennen um die Schaltvorg nge besser nachvollziehen zu k nnen Lan t Vo Abb 48 Strom und Spannungsverlauf Man kann den Aufwartswandler auch mittels einer Energiebetrachtung beschreiben welche in Abbildung 49 dargestellt wird Wahrend der Ein Phase des Schalters wird Energie in die Induktivitat geladen Diese wird wahrend der Aus Phase samt der Eingangsenergie an den Ausgang Ubertragen Team Savonius 63 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Schalter geschlossen offen
167. wendigere Messschaltung mit zwei unipolaren Transistoren braucht Die Transistoren erlauben dem PIC eine gezielte Ansteuerung das hei t nur f r kurze Zeit wird die Spannungsmessung zum Mikroprozessor verbunden Die Ansteuerung des Schalttransistors der Spannungsmessschaltung ben tigt einen weiteren PIC Ausgang Somit kann man mit dem Mikroprozessor kurzzeitig die Spannungsmessung zum PIC Eingang verbinden die Spannung am Eingang bzw Ausgang kann man mit Hilfe des ADC Moduls und der geschriebenen Software mit dem PIC16F88 direkt einlesen Als n chstes wurden berlegungen zur Strommessung unternommen Auch hier musste eine m glichst sparsame L sung gefunden werden Str me kann man mittels PIC nicht einfach direkt aus der Schaltung messen es werden weitere eigene spezielle IC Bausteine ben tigt Die entwickelte Steuerschaltung verwendet zur Strommessung den Bauteil MAX472 der Firma Maxim Dieser Bauteil eignet sich besonders f r die MPPT Steuerung da er einfach den Strom ber einen definierten Sensorwiderstand direkt aus der Schaltung messen kann Die Sparsamkeit erreicht der IC mit Hilfe der Shutdown Leitung wodurch auch der Stromverbrauch der Strommessung auf kurze Zeit beschr nkt werden kann Die Shutdown Leitungen beider Strommessungseinheiten sind mit einer Leitung an den PIC verbunden Mit Hilfe eines weiteren Transistors kann der PIC die Messung einschalten und erh lt erst dann die Messwerte am Eingang Am Output des MAX472 wird bei
168. wurden Gewindebolzen an das Gestell geschwei t Da das Arbeiten mit dem Bolzenschwei ger t nicht immer funktionierte musste teilweise mit dem Schwei apparat bei 100 A nachgebessert oder der Bolzen ausgerichtet werden Beim Ausrichten wurde vor dem H mmern eine Mutter auf den Bolzen geschraubt um dessen Gewinde nicht zu besch digen S N a ra Se Seek Abb 45 Stanzen der Verkleidungsbleche Team Savonius 58 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Die 6 mm dicke Plexiglasscheibe wurde zugeschnitten und mit Bohrungen versehen Um die Sterngriffe anbringen zu k nnen wurden auch hier die Gewindebolzen am Gestell angeschwei t Auf der Seite des Scharniers wurden Gewinde in das Gestell geschnitten und zwei Pl ttchen montiert die den 6 mm H henunterschied verursacht von der Wandst rke der Plexiglasscheibe kompensieren sollten Um das Gestell sp ter besser am Standort fixieren zu k nnen wurden noch Halteringe an den vier Eckpunkten des Gestells mit 117 A angeschwei t Mit ihnen und passenden Drahtseilen sollte die Anlage sp ter am Boden niedergespannt werden Die Batterien wurden in Beh ltern in der N he des Generators platziert um die Kabell nge m glichst kurz zu halten F r den Fall dass S ure aus den Batterien austritt oder Feuchtigkeit in die Anlage eintritt wurden diese Batteriebeh lter mit Bohrungen im Boden versehen Da die Kraft bertragung von Welle zu Generator mit einem Ketten
169. zeichnen da auch Spitzenwindgeschwindigkeiten von mehr als 80 km h ber l ngere Zeit erzeugt werden k nnen Team Savonius 113 Diplomarbeit Grohs Klimpfinger Lerch Redl Dimensionierung der Elektronik Zur Dimensionierung der Elektronik ist vor allem bei der Gr e der Induktivit t interessant zu wissen dass auf jeden Fall die Spule mit einer gewissen Sicherheit exakt dimensioniert werden musste Sowohl der Drahtquerschnitt der Wicklungen als auch die Gr e der Induktivit t wurden passend beziehungsweise knapp gr er als berechnet ausgef hrt Nach dem alle Leistungsbausteine des Step Up Converters berechnet und mit ausreichender Sicherheit gew hlt wurden konnten kurze berlastung und komplette Zerst rung der Elektronik verhindert werden Die exakte Auswahl der Spule ist beim Aufwartswandler vor allem bei geringeren Eingangsstr men notwendig da eine zu kleine Induktivit t zum l ckenden Betrieb f hrt Im l ckenden Betrieb kann die Spannung bei geringem Eingangsstrom nicht optimal hochgewandelt werden der MPPT kann dadurch nicht den bestm glichen Wirkungsgrad erreichen W hrend dem l ckenden Betrieb entsteht ein h rbares Klingelger usch in der Spule und die Aufw rtswandlung der Spannung verl uft nicht optimal gt N here Informationen finden Sie im Kapitel 5 2 Step Up Converter Anpassung des Maximum Power Point Trackers an den Savoniusrotor Im Programm f r die Steuerung des Maximum Power Point Trackers wu

Savoniusrotor mit Maximum Power Point Tracker

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