Windgenerator (ontwikkeling & bouw van wind-genset)

[Adriaan Kragten]

Denk eraan dat je de spoelkern eerst moet isoleren met minstens één laag tape voordat je de spoel er omheen wikkelt. Alleen de isolatie van de wikkeldraad is niet voldoende om kortsluiting tussen de draad en de spoelkern te voorkomen.

[m.bouwer]

Bedankt voor de tip.
Het staat voor mij vast dat ik voor het ontwerpen van de generator eerst iemand moet vinden die me helpt bij het uitzoeken van
de juiste draaddikte, het aantal windingen, de stroombron enz.

[midwoud1]

De jongens van Otherpower in het begin met een prototype windmolen.
Even vlug een mast gemaakt ,maar geen rekening gehouden met de sterkte van stalen afspandraden.
Harde wind en één van de side slew stroppen begaf het en boem daar lag de molen.
Het werd nogal laconiek opgevat , flesje bier ,sigaretje erbij .
De konstrukteurs hebben zich onherkenbaar gemaakt met zwarte balkjes ,zelfs de hond heeft een zwart balkje , hi.

ScreenShot008.jpg

[Adriaan Kragten]

Kijk eens goed naar de restanten van de kop dan zie je dat de molen geen beveiliging heeft. Gewoon een rotor met een vaan op de wind richten dat gaat absoluut een keer fout. De krachten op de rotor nemen dan kwadratisch toe met de windsnelheid en daar is geen rotor en geen toren tegen bestand. Onbegrijpelijk dat deze fout telkens opnieuw gemaakt wordt terwijl de kennis van effectieve beveiligingen vrij beschikbaar is (zie o.a. mijn rapport KD 485). Bij Otherpower heb ik diverse keren naar dit rapport verwezen.

[m.bouwer]

De professionals hebben er ook lang over gedaan om te komen tot de molens die nu draaien.

Kunnen we stellen dat zelfbouwers voor de ontwikkeling van veilige bedrijfszekere ontwerpen gewoon meer tijd nodig hebben?

[Adriaan Kragten]

Het zijn niet alleen de amateurs die molens bouwen zonder een afdoende beveiliging. Er zijn ook seriematig geproduceerde molens op de markt die geen automatisch werkende aerodynamische beveiliging hebben waarmee de rotor bij hoge windsnelheden uit de wind gedraaid wordt of waarmee de bladhoek zodanig versteld wordt dat het opgewekte vermogen begrensd wordt. Men denkt het vermogen te kunnen beperken door de PM-generator af te remmen maar er is altijd een windsnelheid waarbij het rotorkoppel hoger is dan het maximale remkoppel van de generator. Als deze windsnelheid bereikt wordt dan slaat de rotor op hol. Als dit gebeurt bezwijkt of de rotor of de toren en als de rotor lang genoeg met een hoog toerental kortgesloten draait dan brandt de generator door. Hoed u voor de aanschaf van een onbeveiligde molen. Zelfs beveiligde molens kunnen bezwijken als de windsnelheid extreem hoog is en zeer sterk in snelheid en richting varieert zoals bijvoorbeeld voor kan komen in tornado's.

Iedereen die een windmolen wil ontwerpen moet er gewoon eerst voor zorgen dat hij voldoende kennis heeft om dat verantwoord te doen. Zonder een gedegen studie worden vaak levensgevaarlijke bouwwerken in elkaar geknutseld. Een windmolen is geen tuinhekje.

[midwoud1]

Inderdaad de beveiliging van het toerental van de windrotor is super belangrijk.
Tijdens harde storm kan het toerental zo hoog oplopen dat de blad tippen door de geluidsnelheid gaan.
Dit is te horen aan harde knallen die goed hoorbaar zijn.
Is er geen beveiliging ,dan is het moment dat de propeller (windrotor) uit elkaar vliegt dichtbij.
Furling tail en stator-rem werken niet meer.
Eén van de mogelijkheden is de staart 90 graden draaien dmv een staalkabeltje of een actuator.
mbouwer en ik zijn al lang bezig met actieve wiekverstelling .
Ik heb zelf 7 jaar een actieve wiekverstelling met succes werkend gehad.
Deze is programmeerbaar voor maximum en minimum toerental.
Het belangrijke onderdeel is een schakelende toerenteller ,welke gemaakt is met de electronika van een auto toerenteller.
Dit heeft hier altijd perfekt gewerkt.
Is er storm opkomst ,dan bladen in de vaanstand.
Het vergt wel extra disipline van metaalbewerking , maar s'nachts slaapt het wel rustiger.

[Adriaan Kragten]

Naar mijn mening moeten bladverstelmechanismes van kleine windmolens direct aangestuurd worden door het toerental. Dit kan door gebruik te maken van centrifugaalgewichten of door gebruik te maken van het aerodynamisch moment dat op het bladprofiel werkt. Wanneer de bladhoek aangestuurd wordt door een externe energiebron die weer via een computer of elektronica aangestuurd wordt door een toerenmeting of door een meting van de windsnelheid, is er meer kans dat het fout gaat wanneer er in die keten iets weigert. Als er nergens iets weigert dan kan het jaren goed gaan maar elektronica heeft niet het eeuwige leven en ook de energiebron kan uitvallen. Direct door de centrifugaalkracht aangestuurde mechanismes kunnen echter ook weigeren, bijvoorbeeld als de bladlagering te veel wrijving heeft gekregen doordat er water in de lagers gekomen is. Ik heb ooit een bladverstelmechanisme gezien waarvan de bladlagering compleet vastgeroest was.

Het bladverstelmechanisme van grote windmolens wordt altijd extern aangestuurd en er zijn diverse gevallen bekend dat het fout gegaan is omdat er ergens in de keten iets weigerde. Eigenlijk zou het zo moeten zijn dat het blad bij het uitvallen van een component uit de keten automatisch naar de vaanstand gaat maar dit werkt alleen als het blad een eigen energiebron heeft, zoals bijvoorbeeld een veer. Dit heeft echter weer als nadeel dat je energie moet leveren om het blad tegen de veer in naar de normale werkstand te draaien en deze energie kan niet door de molen geleverd worden als de rotor stil staat. Er is dus externe energie nodig om de rotor te kunnen laten starten en daardoor kan dit systeem niet worden toegepast als de molen in eilandbedrijf draait. Grote windmolens lopen aan met zeer grote instelhoeken en de bladen worden geleidelijk aan naar de werkstand verdraaid naarmate het toerental toeneemt. Maar dit verstellen kost ook energie die aan het net onttrokken wordt en dit werkt daarom alleen bij netgekoppelde molens.

[mro]

Op de weg naar huis van vakantie hoorde ik op de radio in Duitsland over een windmolen die op hol geslagen was en dat er een gebied afgebakend was waar men uit de buurt moest blijven.

[kockie]

over een windmolen die op hol geslagen was

Gelukkig dan maar dat het een windmolen was en geen kerncentrale...

[Adriaan Kragten]

Gisteren heb ik samen met mijn vrouw op de motor de Geo Cache route "Zo gaat de molen" gereden. Deze route leidt langs drie watermolens en elf windmolens die in dorpjes ten oosten van Eindhoven staan. Twee windmolens waren uitgevoerd met gedekkerde wieken namelijk die in Geldrop en die in Deurne. Bij gedekkerde wieken is de voorzijde van de rechthoekige wiekbalk voorzien van een stroomlijn die gemaakt is van gewelfde aluminium plaat. De molen in Geldrop draaide en het viel mij op dat twee van de vier wieken uitgevoerd waren met een mechanisme waarmee het buitenste deel van de stroomlijn naar een kleinere instelhoek verdraaid wordt waardoor het blad daar overtrekt en daardoor veel weerstand krijgt en de rotor afgeremd wordt. De molen in Deurne draaide niet en was uitgevoerd met dit mechanisme op alle vier de wieken. Bij de molen in Geldrop kon ik niet goed zien hoe het mechanisme werkte omdat de rotor draaide maar bij de molen in Deurne heb ik het goed bekeken. Bij de molen in Geldrop viel mij op dat de verdraaiing van de wiektip gedurende een omwenteling van neutraal naar maximaal varieerde. Dit komt omdat de mechanismes van de tegenover elkaar liggende wiektippen niet mechanisch aan elkaar gekoppeld zijn.

Het mechanisme bestaat uit een grote winkelhaak die kan draaien om een as die haaks ligt t. o. v. de achterkant van de wiek. Eén van de poten van de winkelhaak wijst naar het hart van de rotor en één van de poten staat haaks op de wiekstraal en wijst in de richting van het rasterwerk voor de zeilen. Op deze laatste poot zit een centrifugaalgewicht. Aan deze poot zit ook een sterke trekveer en een hydraulische demper. Op de wiektip zit een hefboom die naar achteren uitsteekt. Deze hefboom is d. m. v. een verbindingsstang met de naar het hart van de rotor gerichte poot van de winkelhaak verbonden. Bij een bepaald toerental wordt de centrifugaalkracht op het gewicht zo groot dat dit naar buiten beweegt en dan overtrekt de wiektip. Op dit gewicht werkt echter niet alleen de centrifugaalkracht maar ook het eigen gewicht. Als het blad verticaal omhoog staat dan werkt het eigen gewicht tegen de centrifugaalkracht in en als het blad verticaal omlaag staat dan werkt het eigen gewicht mee met de centrifugaalkracht. Het gevolg hiervan is dat de wiektip bij niet al te hoge toerentallen neutraal staat als het blad verticaal omhoog staat en dat de wiektip behoorlijk ver overtrokken is als het blad verticaal omlaag staat. Dit geeft dus één oscillatie van de wiektip per omwenteling en om geen grote klappen te krijgen als de wiektip tegen de aanslagen van de uiterste standen aankomt, wordt een hydraulische demper toegepast. Bij hogere toerentallen overtrekt de wiektip ook als het blad vertikaal omhoog staat.

Het nadeel van deze constructie is dus dat de wiektip oscilleert en dat de aanstroomhoek van de wiektip maximaal is als het blad verticaal omlaag staat. Omdat de windsnelheid op grote hoogte veel hoger is dan vlak bij de grond is ook de relatieve snelheid waarmee het blad aangestroomd wordt hoger voor de wiektip van het blad dat verticaal omhoog staat. Maar daar overtrekt het blad niet en er wordt daar dus niet geremd. Het remmen wordt pas echt effectief als overtrekken ook optreedt bij toerentallen waarbij de wiektip van het naar boven gerichte blad ook overtrekt. Omdat de molen in Deurne verdraaibare wiektippen op alle vier de wieken heeft zal deze molen beter beveiligen dan de molen in Geldrop. Het probleem van oscillatie kan voorkomen worden door de beweging van tegenover elkaar liggende wiektippen mechanisch aan elkaar te koppelen maar dit vereist zeer lange stangen die achter het blad liggen en een koppelmechanisme in het hart van de rotor.

Klassieke Hollandse molens hebben een diameter van ongeveer 25 m en een optimale snellopendheid van ongeveer 2,5 en de toerentallen die bij matige windsnelheden optreden zijn daardoor tamelijk laag. De centrifugaalkracht die bij een matige windsnelheid optreedt is daardoor niet veel hoger dan het eigen gewicht. De centrifugaalkracht neemt kwadratisch toe met het toerental en bij hogere toerentallen zal de oscillatie daardoor minder worden. Wanneer een moderne molen met een snellopendheid van 7,5 en een diameter van 25 m ontworpen zou worden dan draait die bij dezelfde windsnelheid (en de optimale snellopendheid) dus drie keer zo snel en de centrifugaalkracht is dan negen keer zo hoog. De invloed van het eigen gewicht is dan maar gering en waarschijnlijk is het dan mogelijk om verdraaibare wiektippen toe te passen die niet mechanisch aan elkaar gekoppeld zijn zonder dat hinderlijke oscillatie optreedt. Ik meen dat de TU-Delft dit ooit buiten getest heeft en dat het goed werkte.

[midwoud1]

Er zijn veel wiekontwerpen geweest bij de oudhollandse molens om het rendement en de veiligheid te verbeteren.
Zo was er het Dekkersysteem , Havinga. Bussel. Fokwieken ,Jalouzie. https://nl.wikipedia.org/wiki/Gevlucht , Hier is ook
het centrale bedieningssysteem te zien voor de bediening van remkleppen van molen "de Kroon"
Dmv. een stang die in en uit schuift door de holle hoofdas , Het lijkt mogelijk dat de remkleppen in werking zijn te zetten met draaiende wieken. Best wel een slim idee van molenbouwers uit de jaren 20 en 30.

ScreenShot038.jpg

[Adriaan Kragten]

Remkleppen kunnen heel aardig werken voor klassieke Hollandse molens omdat de ontwerpsnellopendheid maar ongeveer 2,5 is. De geluidsproductie die door de turbulentie van de remkleppen veroorzaakt wordt is dan nog acceptabel. Ik heb ooit remkleppen getest op één van mijn eerste molens met een 3-bladige houten rotor met een diameter van 4 m en een ontwerpsnellopendheid van 6. De remkleppen bestonden uit kleine rechthoekige platen van 1 mm RVS verenbandstaal die haaks op de wiektip stonden. Door de centrifugaalkracht bogen de platen naar buiten. Er zaten dus geen draaipunten in. Ik heb een schaalmodel van 1.8 m diameter gebouwd en dat getest in de windtunnel van TU-Delft. Daar bleken de remkleppen zeer effectief te zijn in het verlagen van de Cp en de lambda. Maar in de werkelijke molen produceerden ze bij hoge windsnelheden een geluid als of er een helikopter over kwam. Hoewel het toerental goed begrensd werd was de te hoge geluidsproductie de reden om het idee te laten vallen.

Remkleppen worden nog steeds toegepast op de 2-bladige Amerikaanse Windcharger. Ze zitten daar echter op armen die haaks op de rotor staan en op een veel kleinere straal dan de wiektip. De geluidsproductie is daar nog acceptabel. Omdat het remmend effect echt kwadratisch afneemt met de straal zijn op die plaats echter behoorlijk grote remkleppen nodig om nog een voldoende groot remkoppel te realiseren. Een nadeel van remkleppen is wel dat alleen het rotortoerental begrensd wordt. De rotorthrust wordt in eerste instantie niet begrensd omdat de rotor gewoon veel vermogen opwekt. Een groot deel van dit vermogen wordt vernietigd in de weerstand van de remkleppen. Pas als de snellopendheid behoorlijk verlaagd is en het blad daardoor over een grote lengte overtrekt, gaat ook de thrust afnemen. Je hebt bij remkleppen dus een sterke toren en fundering nodig. Het voordeel van uit de wind draaien of van positieve bladverstelling is dat niet alleen het toerental maar ook de thrust meteen begrensd wordt.

[midwoud1]

Tijdens de laatste jaren van de tweede wereldoorlog was er gebrek aan kolen en alle andere brandstoffem.
Vaak was er geen elektriciteit.
Via het boekje van Wartena kon men een zg. winddynamo maken.
Maar er waren ook al windgeneratoren te koop als accu laders ( Wincharger)
Ik vond een oude foto ,dat moet vlak na de oorlog geweest zijn van een boerderij bij mij in de buurt.
Hier kan je op het dak nog een mast met windvaan zien van een wincharger , in Amsterdam zat de vertegenwoordiger .

ScreenShot039.jpg

ScreenShot046.jpg

[m.bouwer]

Midwoud,

Het lijkt me ook zinvol voor zelfbouwers om de molen die bij jou zoveel jaar nagenoeg probleemloos draaide
eens wat nader te beschouwen.