Windgenerator-Controller selbst bauen: Aufbau, Funktionsprinzip, Schaltplan

Die mechanische Konstruktion eines Windgenerators in ihrer reinen Form stellt nur einen Teil einer vollständigen Windenergieanlage dar. Eine voll funktionsfähige Anlage verfügt neben der mechanischen Konstruktion noch über eine Reihe elektronischer Komponenten.

So ist beispielsweise ein Controller für den Windgenerator unbedingt erforderlich – ein Gerät, das funktional dazu dient, die Ladeparameter der Batterie während des Betriebs des Windrades zu stabilisieren.

Im Folgenden wird erläutert, welche Funktionen das Gerät erfüllt, und es werden Schaltpläne für den Selbstbau des Controllers vorgestellt. Zudem werden die Funktionsweise und die Zweckmäßigkeit des Kaufs eines chinesischen elektronischen Geräts für das Windrad erörtert.

Windgeneratoren und Batterieladeregler

Wenn Sie ein mechanisches Windrad durchaus selbst bauen können, ist es dann auch möglich, den Controller dafür selbst zu bauen?

Um sich ein Bild von Windgenerator-Controllern zu machen und solche Geräte erfolgreich selbst nachbauen zu können, sind Grundkenntnisse über diese Geräte von Vorteil.

Der Regler, der die Akkumulatorenbatterien bedient, ist in erster Linie dazu bestimmt, den Ladevorgang der Batterie zu steuern. Dies ist seine Hauptfunktion, die jedoch bedingt in eine Reihe von Unterfunktionen unterteilt werden kann.

Beispielsweise überwacht eine Funktion den Ladestrom und den Selbstentladestrom. Eine andere Funktion realisiert Maßnahmen zur Messung von Temperatur und Druck. Eine dritte ist für die Kompensation der Differenz der Energieflüsse verantwortlich, wenn gleichzeitig mit dem Stromverbrauch durch die Last die Batterie geladen wird.

Laderegler für eine kleine Windkraftanlage. Die Überwachung einiger Systemparameter erfolgt über das in die Konstruktion integrierte LCD-Display.

Industriell gefertigte Geräte verfügen über eine vollwertige Funktionalität. Das lässt sich jedoch nicht über selbstgebaute Konstruktionen sagen. Geräte, die auf der Basis einfachster Schaltungslösungen zu Hause selbst gebaut wurden, sind Regler, die weit von perfekten Modellen entfernt sind.

Dennoch funktionieren sie und ermöglichen eine recht produktive Nutzung von verschiedenen Arten von Windgeneratoren. In der Regel ist in selbstgebauten Konstruktionen nur eine Funktion realisiert – der Überlastschutz und der Tiefentladeschutz.

Eine der zahlreichen Varianten von Controllern für Windräder, die in Eigenarbeit hergestellt wurden. Diese Konstruktionen zeichnen sich durch unkomplizierte technische Lösungen und eine einfachste Montageausführung aus.

Warum ist die Integration eines Controllers in das Windradsystem zwingend erforderlich?

Da im Modus der Energieversorgung der Batterie ohne Verwendung eines Controllers unangenehme Folgen zu erwarten sind:

1. Degradation der Akkustruktur aufgrund unkontrollierter chemischer Prozesse.
2. Unkontrollierter Anstieg des Drucks und der Temperatur des Elektrolyten.
3. Verlust der Ladefähigkeit des Akkus aufgrund einer lang anhaltenden Entladung.

Der Laderegler für die Windkraftanlage wird in der Regel als separates elektronisches Modul ausgeführt. Dieses Modul ist abnehmbar und schnell trennbar. Industriegefertigte Geräte sind zwingend mit einer Anzeige der Betriebsmodi und Zustände ausgestattet – entweder optisch oder visuell über ein Display.

In der Praxis können zwei Arten von Geräten eingesetzt werden – solche, die direkt in das Gehäuse des Windgenerators integriert werden, und solche, die an die Batterie angeschlossen werden.

Schaltungslösungen für den Selbstbau

Seit dem Erscheinen der ersten selbstgebauten Windräder hat sich die Anzahl der Schaltungslösungen für Controller vervielfacht. Viele der Schaltungsentwicklungen sind bei weitem nicht perfekt, aber es gibt auch Varianten, auf die man achten sollte.

Für den Hausgebrauch sind natürlich einfache Schaltungen relevant, die geringe finanzielle Investitionen erfordern, effizient und zuverlässig sind.

Ausgehend von diesen Anforderungen kann man mit einem Controller für den Windgenerator beginnen, der auf Basis von Relaisreglern von Autos entwickelt wurde. In der Schaltung sind sowohl Relais mit Minus-Steuerkontakt als auch Relais mit Plus-Steuerkontakt anwendbar.

Diese Variante besticht durch die geringe Anzahl an Bauteilen und die einfachste Montage. Es werden nur ein Relais, ein Leistungstransistor (Feldeffekttransistor) und ein Widerstand benötigt.

Eine Controllerschaltung, von einem Elektroniker eigenhändig gezeichnet. Hier ist alles einfach und klar, ohne überflüssige Worte. Genau wie in der Technologie der Lösung selbst. Minimum an Bauteilen – Maximum an Einsparungen (+)

Die Schaltung trägt den Namen 'Ballastschaltung', da hier eine zusätzliche Last in Form einer gewöhnlichen Glühlampe verwendet wird. Somit wird die Liste der Bauteile um ein weiteres Element ergänzt – die Lampe.

Es wird eine Autolampe (oder mehrere Lampen) mit 12 Volt verwendet, abhängig von der Leistung des Systems. Auch ist es zulässig, anstelle dieses Elements einen anderen Lastwiderstand einzusetzen: einen leistungsstarken Widerstand, eine Elektroheizung, einen Lüfter usw.

Funktionsweise der „Ballast“-Schaltung mit Minus

Die Wirkung des Auto-Relaisreglers hängt direkt mit dem Ladezustand der Batterie zusammen. Steigt die Spannung an den Batterieklemmen über 14,2 Volt, spricht das Relais an und öffnet den Minusstromkreis des Leistungstransistors.

Am Transistor öffnet sich ein Übergang, der die Glühlampe an die Batterie anschließt. Dadurch wird der Ladestrom über den Glühfaden abgeleitet. Bei sinkender Spannung an den Batterieklemmen erfolgt der umgekehrte Prozess. So wird eine stabile Spannung der Batterie aufrechterhalten.

Wie die „Ballast“-Schaltung mit Plus funktioniert

Eine leicht modernisierte Version des „Ballast“-Ladereglers für die Windkraftanlage ist die zweite Schaltung mit einem Relaisregler und einem positiven Steuerkontakt. Beispielsweise eignen sich Relais von Fahrzeugen der Marke „VAZ“.

Der Unterschied zur vorherigen Schaltung besteht in der Verwendung eines Halbleiterrelais, z. B. GTH6048ZA2 mit einem Strom von 60 A anstelle eines Transistors. Die Vorteile liegen auf der Hand: Die Schaltung ist noch einfacher und bietet gleichzeitig eine höhere Zuverlässigkeit und Effizienz.

Eine weitere einfache schaltungstechnische Lösung für den Aufbau eines Ladereglers für die Batterie eines Windgenerators. Die Effizienz und Zuverlässigkeit der Schaltung wird durch den Einsatz eines Halbleiterrelais (+) erhöht.

Das Besondere an dieser einfachen Lösung ist der direkte Anschluss an die Klemmen des Akkus des Windgenerators. Auch die Leiter des Ladereglers sind direkt auf die Kontakte des Akkus aufgesetzt.

Tatsächlich sind diese beiden Schaltungsteile in keiner Weise miteinander verbunden. Die Spannung des Windgenerators wird ständig an die Batterie angelegt. Wenn die Spannung an den Batterieklemmen 14,2 V erreicht, schaltet das Halbleiterrelais die Last zur Ableitung zu. So wird die Batterie durch das Gerät vor Überladung geschützt.

Hier kann als Ballastlast nicht nur eine Glühlampe dienen. Es ist durchaus möglich, jedes andere Gerät anzuschließen, das für einen Strom von bis zu 60 A ausgelegt ist. Zum Beispiel ein elektrischer Rohrheizkörper.

Was an dieser Schaltung noch wichtig ist: Die Wirkung des Halbleiterrelais ist durch eine allmählich ansteigende Amplitude gekennzeichnet. Im Grunde liegt der Effekt eines professionell gefertigten PWM-Reglers vor.

Erweiterte Variante des Controller-Schaltplans

Wenn die vorherige Variante der Schaltungslösung des Ladereglers für die Batterie nur an ein PWM-Gerät (Pulsweitenmodulation) erinnert, wird dieses Prinzip hier konkret umgesetzt.

Diese Reglerschaltung für eine Windkraftanlage mit einem Drehstromgenerator weist einige Komplexitäten auf, da sie die Verwendung von integrierten Schaltungen erfordert – insbesondere von Operationsverstärkern mit Feldeffekttransistoren in der Baugruppe TL084.

Auf der Leiterplatte sieht jedoch alles nicht so kompliziert aus wie auf dem Papier.

Eine Schaltungslösung für den Selbstbau eines Controllers, bei der das Mikro-Assembly TL084 verwendet wird. Das Funktionsprinzip basiert ebenfalls auf Relais zur Umschaltung der Modi, jedoch besteht die Möglichkeit, die Abschaltpunkte einzustellen (+).

Wie auch in den vorherigen Lösungen wird ein Relais als Schaltelement für die Ballastlast verwendet. Das Relais ist für den Betrieb mit einer 12-Volt-Batterie ausgelegt, aber bei Bedarf kann ein Modell für 24 W gewählt werden.

Der Ballastwiderstand ist als leistungsstarker Widerstand ausgeführt (Nichromwicklung auf Keramik). Zur Einstellung des Arbeitsbereichs der Spannungen (11,5-18 W) werden in der Schaltung Potentiometer verwendet, die in den Steuerkreis des Mikroelektronik-Assemblys TL084 eingebunden sind.

Ein solcher Laderegler für die Windkraftanlagenbatterie funktioniert wie folgt. Der vom Windgenerator erzeugte Dreiphasenstrom wird durch Leistungsdioden gleichgerichtet.

Am Ausgang der Diodenbrücke entsteht eine Gleichspannung, die über die Relaiskontakte, eine zusätzliche Diode, die Batterie und weiter zum integrierten Regler (78L08) sowie zum Eingang des TL084-Assemblys geführt wird.

Der Zeitpunkt des Umschaltens des Triggers in einen der Zustände wird durch die Werte der Potentiometer (Low V und High V) für die untere und obere Spannungsschwelle bestimmt.

Solange an den Anschlüssen der Batterie eine Spannung von nicht mehr als 14,2 Volt anliegt (die dem Einstellwert von R High V entspricht), erfolgt die Ladung. Sobald die Werte ansteigen, gibt der Operationsverstärker TL084 ein Signal an die Basis des Transistors, der das Relais steuert.

Ein selbst gebautes Produkt nach der Schaltung mit dem Mikro-Assembly TL084. Alles ist denkbar einfach; selbst anstelle einer hochwertigen Leiterplatte wurde eine Platine für die Aufputzmontage gewählt. Mit solchen Details erfreuen selbstgebaute Konstruktionen immer.

Das Relais wird aktiviert, der Stromversorgungskreis der Schaltung wird unterbrochen und auf den Ballastwiderstand geschaltet. Die Entladung über den Ballast erfolgt bis zu dem Zeitpunkt, an dem die Batterie nahe am Einstellwert des Potentiometers Low V entladen ist.

Sobald dieser Wert erreicht ist, schaltet der zweite Operationsverstärker TL084 die Schaltung in den entgegengesetzten Zustand. So funktioniert der Controller.

Chinesische elektronische Alternative

Die Herstellung eines Windgenerator-Controllers in Eigenregie ist eine prestigeträchtige Angelegenheit. Doch angesichts der Geschwindigkeit der Entwicklung elektronischer Technologien verliert der Sinn einer Eigenmontage oft an Aktualität. Zudem ist ein Großteil der angebotenen Schaltungen bereits moralisch veraltet.

Es ist günstiger, ein fertiges Produkt zu kaufen, das professionell gefertigt ist, eine hohe Montagequalität aufweist und auf modernen elektronischen Komponenten basiert. Beispielsweise kann man ein passendes Gerät zu einem vernünftigen Preis auf Aliexpress erwerben.

Das Angebot auf der chinesischen Website ist beeindruckend. Regler für Windgeneratoren verschiedener Leistungsklassen werden ab 10 € angeboten. Wenn man diesen Betrag zugrunde legt, lohnt sich die Selbstmontage des Geräts nicht.

So gibt es beispielsweise im Angebot des chinesischen Portals ein Modell für eine 600-Watt-Windkraftanlage. Das Gerät kostet 10,70 € und ist für den Betrieb mit 12/24-Volt-Akkus bei einem Betriebsstrom von bis zu 30 A geeignet.

Ein durchaus anständiger, für einen 600-Watt-Windgenerator ausgelegter chinesischer Laderegler. Ein solches Gerät kann aus China bestellt werden und wird per Post in etwa einem bis anderthalb Monaten geliefert.

Das hochwertige, wetterfeste Gehäuse des Reglers mit den Maßen 100x90 mm ist mit einem leistungsstarken Kühlkörper ausgestattet. Die Schutzart des Gehäuses entspricht IP67. Der Außentemperaturbereich reicht von -35 bis +75 °C. Auf dem Gehäuse befindet sich eine Leuchtanzeige für die Betriebszustände des Windgenerators.

Wozu also Zeit und Mühe in den Bau einer einfachen Konstruktion mit eigenen Händen stecken, wenn es die reale Möglichkeit gibt, etwas Ähnliches und technisch Hochwertiges zu kaufen?

Nun, wenn dieses Modell nicht ausreicht, haben die Chinesen auch richtig „coole“ Varianten. So fiel unter den Neuankömmlingen ein Modell mit einer Leistung von 2 kW und einer Betriebsspannung von 96 Volt auf.

Ein chinesisches Produkt aus der Liste der Neuankömmlinge. Es gewährleistet die Laderegelung der Batterien im Zusammenspiel mit einem 2-kW-Windgenerator. Es akzeptiert eine Eingangsspannung von bis zu 96 Volt.

Allerdings ist der Preis dieses Reglers bereits fünfmal höher als der des vorherigen Modells. Aber dennoch, wenn man die Kosten für die Herstellung eines ähnlichen Geräts mit eigenen Händen vergleicht, erscheint der Kauf als eine rationale Entscheidung.

Das Einzige, was an chinesischen Produkten stört – sie neigen dazu, unerwartet im ungünstigsten Moment den Dienst zu versagen. Daher muss das gekaufte Gerät oft nachgebessert werden – natürlich mit eigenen Händen. Das ist jedoch wesentlich einfacher und leichter, als einen Windgenerator-Laderegler von Grund auf selbst zu bauen.

Für Heimwerker-Bastler gibt es auf unserer Website eine Artikelserie zum Bau von Windgeneratoren:

1. Windgenerator aus einem Autogenerator selber bauen: Montagetechnik und Fehleranalyse
2. Rotorblätter für den Windgenerator selber bauen: Beispiele für die Eigenfertigung von Windradflügeln
3. Windgenerator aus einer Waschmaschine selber bauen: Bauanleitung für ein Windrad
4. So berechnen Sie einen Windgenerator: Formeln + Praxisbeispiel zur Berechnung

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Der Wunsch, selbst Geräte für den Hausgebrauch zu bauen, ist manchmal stärker als die einfachere Lösung – der Kauf eines günstigen Geräts. Was daraus geworden ist, sehen Sie im Video:

Wenn man die Perspektiven der Eigenherstellung von Elektronik unabhängig von ihrem Zweck betrachtet, stößt man auf den Gedanken, dass das Zeitalter der ‚Heimwerker‘ zu Ende geht.

Der Markt ist übersättigt mit fertigen elektronischen Geräten und modularen Komponenten für nahezu jedes Haushaltsprodukt. Für Hobbyelektroniker bleibt jetzt nur noch eine Sache übrig – das Zusammenbauen von Heim-Bausätzen.

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