Für ergiebige, zuverlässige und kostengünstige Kleinwindenergieanlagen (KWEA) besteht Bedarf in den entwickelten Volkswirtschaften, in denen KWEAn einen Beitrag zur Bewältigung der Energiewende leisten können. Das größere Marktpotential liegt in Schwellen- und Entwicklungsländern, wo die elektrische Energie nur mit großem Aufwand oder gar nicht verfügbar ist. Die Windenergie wird i. d. R. in mit einer (kleinen) Gleichspannung betriebenen Akkumulatoren zwischengespeichert. Wünschenswert für die Nutzung in KWEAn sind Generatoren, die kleine Gleichspannungen und große Gleichströme liefern können.
Gegenstand dieser Arbeit ist es zu klären, ob Unipolargeneratoren in KWEAn kleine Gleichspannungen und große Gleichströme zuverlässig und kostengünstig erzeugen können.
Inhaltsverzeichnis:
1. Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel
2. Wirkungsweise eines Unipolargenerators
2.1 Effektbetrachtung an einem Modell
2.2 Die Unipolarinduktion
3. Nutzung der Unipolarinduktion in technischen Anwendungen
3.1 Unipolargenerator
3.2 Energiespeicher
3.3 Drehzahlmesser
4.Realisierte Generatortypen
4.1 Generator nach Poirson
4.2 Generator nach DePalma
4.3 Generator nach Trombly und Kahn
4.4 Generator nach Valone
4.5 Generator nach Stampa
4.6 Zusammenfassung der Generatoreigenschaften
5.Auslegung eines Unipolargenerators
5.1 Entwurf eines Unipolargenerators
5.2 Randbedingungen für den Unipolargenerator einer Kleinwindenergieanlage
5.3 Auslegung des Magnetkreises
6. Experimentelle Untersuchung einzelner Komponenten
6.1 Aufbau des Messstandes
6.2 Aufbau der spiralförmigen Leiterscheibe
6.3 Messung des Leiterwiderstandes
6.3.1 Messergebnisse
6.3.2 Auswertung des Versuches
6.4 Messung der Leerlaufspannung
6.4.1 Messergebnisse
6.4.2 Auswertung des Versuches
6.5 Zeitliche Signalverl¨aufe der Leerlaufspannung
6.5.1 Messergebnisse
6.5.2 Auswertung des Versuches
6.6 ahme der Lastkennlinien
6.6.1 Messergebnisse
6.6.2 Auswertung des Versuches
6.7 Belastungsmessung
6.7.1 Messergebnisse
6.7.2 Auswertung des Versuches
7. Zusammenfassung und Ausblick
A. Anhang
A.1 Liste der Formelzeichen
B. Materialeigenschaften
B.1 Materialkonstanten
B.2 Magnetkonstanten
C. Ergänzendes Formelwerk
D. Platinenmaße und -entwurf
E. Messwerte
E.1 Messung der Leerlaufspannung
E.2 Zeitliche Signalverläufe der Leerlaufspannung
E.3 Aufnahme der Lastenkennlinien
E.4 Belastungsversuch
Literaturverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziel
2. Wirkungsweise eines Unipolargenerators
2.1 Effektbetrachtung an einem Modell
2.2 Die Unipolarinduktion
3. Nutzung der Unipolarinduktion in technischen Anwendungen
3.1 Unipolargenerator
3.2 Energiespeicher
3.3 Drehzahlmesser
4. Realisierte Generatortypen
4.1 Generator nach Poirson
4.2 Generator nach DePalma
4.3 Generator nach Trombly und Kahn
4.4 Generator nach Valone
4.5 Generator nach Stampa
4.6 Zusammenfassung der Generatoreigenschaften
5. Auslegung eines Unipolargenerators
5.1 Entwurf eines Unipolargenerators
5.2 Randbedingungen für den Unipolargenerator einer Kleinwindenergieanlage
5.3 Auslegung des Magnetkreises
6. Experimentelle Untersuchung einzelner Komponenten
6.1 Aufbau des Messstandes
6.2 Aufbau der spiralförmigen Leiterscheibe
6.3 Messung des Leiterwiderstandes
6.3.1 Messergebnisse
6.3.2 Auswertung des Versuches
6.4 Messung der Leerlaufspannung
6.4.1 Messergebnisse
6.4.2 Auswertung des Versuches
6.5 Zeitliche Signalverläufe der Leerlaufspannung
6.5.1 Messergebnisse
6.5.2 Auswertung des Versuches
6.6 Aufnahme der Lastkennlinien
6.6.1 Messergebnisse
6.6.2 Auswertung des Versuches
6.7 Belastungsmessung
6.7.1 Messergebnisse
6.7.2 Auswertung des Versuches
7. Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Ziel dieser Arbeit ist die Auswahl und Auslegung eines Generators auf Grundlage des Unipolarprinzips für den Einsatz in Kleinwindenergieanlagen. Dabei werden die theoretischen Grundlagen der Unipolarinduktion erarbeitet, historische Konstruktionen analysiert und experimentelle Verifizierungen einzelner Komponenten durchgeführt.
- Theoretische Grundlagen der Unipolarinduktion und Modellbetrachtung
- Analyse und Bewertung historischer Unipolargeneratoren
- Konstruktive Auslegung eines Unipolargenerators für Kleinwindanlagen
- Experimentelle Untersuchung von Leiterscheiben und Wirkungsgradanalysen
Auszug aus dem Buch
2.1 Effektbetrachtung an einem Modell
Das erste Modell eines Unipolargenerators geht auf Michael Faraday aus dem Jahr 1831 zurück und ist in Abbildung 2.1 dem Original nachempfunden zu sehen [3]. Es sind ein fester Magnet, eine leitende Scheibe sowie die Bürsten und Leiter, welche zur Strom- und Spannungsabnahme dienen, an der leitenden Scheibe zu erkennen (siehe Prinzipdarstellung in Abbildung 2.1). Der magnetische Fluss tritt immer in gleicher Richtung aus der leitenden Scheibe aus, woraus sich der Name der Maschine ableitet (Einpol=Unipol). Die Bürsten, welche die Schleifkontakte darstellen, sind auf die Drehachse und den Rand der leitenden Scheibe aufgesetzt.
Vier Zustände können mit Hilfe dieses Modells erzeugt werden, wobei der vierte Zustand nicht von Interesse ist und von daher nicht weiter betrachtet wird: Zustand 1: Magnet- und Leiterscheibe drehen sich zur gleichen Zeit, Zustand 2: Die Magnetscheibe rotiert, während die Leiterscheibe still steht, Zustand 3: Die Magnetscheibe steht still, während die Leiterscheibe rotiert, Zustand 4: Beide Scheiben stehen still. In Zustand 1 sind eine Spannung und ein Strom an den Bürsten messbar. Im ruhenden System des Zustandes 4 treten beide Größen erwartungsgemäß nicht auf.
Im Zustand 2 treten ebenfalls keine Spannung und kein Strom auf. Auf Grundlage des Magnetfeldlinienmodells müsste sich dieser Umstand auch in Zustand 3 ergeben. Dies ist jedoch nicht der Fall: Im Zustand 3 sind eine Spannung und ein Strom vorhanden. Diese Beobachtung hat viele Jahrzehnte für Diskussionen gesorgt, ließ am Ende jedoch nur eine Schlussfolgerung zu: Das Magnetfeld ist scheinbar nicht an den Bewegunsgzustand des Magneten gebunden. Vielmehr verhält sich das Feld wie eine Raumgröße, denn als ein starres Gebilde aus Feldlinien. Es stellt sich die Frage, wie Strom und Spannung in den jeweiligen Zuständen erzeugt werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Motivation und Zielsetzung der Arbeit bezüglich der Eignung von Unipolargeneratoren für Kleinwindenergieanlagen.
2. Wirkungsweise eines Unipolargenerators: Theoretische Untersuchung des Unipolarprinzips und der Induktionsmechanismen anhand physikalischer Modellbetrachtungen.
3. Nutzung der Unipolarinduktion in technischen Anwendungen: Überblick über historische Anwendungen sowie eine kritische Betrachtung der N-Maschine nach DePalma.
4. Realisierte Generatortypen: Vergleich verschiedener historischer und technischer Konstruktionen hinsichtlich ihrer Vor- und Nachteile für die Anwendung.
5. Auslegung eines Unipolargenerators: Mathematische Herleitung und konstruktive Auslegung des Generators unter Berücksichtigung von Magnetkreis und Randbedingungen.
6. Experimentelle Untersuchung einzelner Komponenten: Messtechnische Verifizierung von Leiterscheibenaufbauten sowie Analyse von Lastkennlinien und Leerlaufspannungen.
7. Zusammenfassung und Ausblick: Fazit der erarbeiteten Ergebnisse und Empfehlungen für zukünftige Optimierungen und Forschungsansätze.
Schlüsselwörter
Unipolargenerator, Unipolarinduktion, Kleinwindenergieanlagen, Lorentzkraft, Magnetkreis, Leiterscheibe, Spiralleiter, induzierte Spannung, Leerlaufspannung, Lastkennlinie, Energiewandlung, elektromagnetische Induktion.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Hauptanliegen der Arbeit?
Die Arbeit untersucht, ob sich das physikalische Prinzip des Unipolargenerators effizient für den Einsatz in modernen Kleinwindenergieanlagen nutzen lässt.
Welche zentralen Themen werden behandelt?
Neben der physikalischen Theorie der Unipolarinduktion stehen die historische Entwicklung der Generatortypen, deren konstruktive Auslegung sowie experimentelle Messreihen im Fokus.
Was ist das primäre Ziel?
Das Ziel ist die Auswahl und Dimensionierung eines geeigneten Generatortyps, der speziell auf die Anforderungen kleiner Windkraftanlagen zugeschnitten ist.
Welche Methoden werden angewandt?
Die Arbeit kombiniert theoretische mathematische Modellierungen des Magnetkreises mit praktischen Versuchsreihen, bei denen verschiedene Leiterscheiben vermessen werden.
Welche Komponenten des Generators werden im Hauptteil untersucht?
Besonderes Augenmerk liegt auf der Leiterscheibe, wobei zwischen klassischen massiven Scheiben und spiralförmigen Leitern zur Wegverlängerung verglichen wird.
Welche Eigenschaften definieren einen Unipolargenerator laut Arbeit?
Der Generator zeichnet sich durch unipolare Feldrichtung, direkten Gleichstrom ohne Kommutator und einfache Bauweise aus, kämpft jedoch oft mit Bürstenverlusten.
Warum spielt der Spiralleiter eine besondere Rolle?
Es wurde die Hypothese geprüft, ob durch eine spiralförmige Leiterführung die induzierte Spannung gesteigert werden kann, was im Rahmen der Versuche widerlegt wurde.
Was ergab der Belastungsversuch?
Die Versuche zeigten einen proportionalen Anstieg von Strom und Spannung mit der Drehzahl, wobei die Materialwahl der Leiterscheibe einen messbaren Einfluss hat.
- Citar trabajo
- Lee Kirsten (Autor), 2013, Unipolargeneratoren für Kleinwindenergieanlagen, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/455589
