Spargelwindrad für den Garten!

Wir bauen uns ein Windrad, mit dem wir komplett autark sind, uns vom Netz abkoppeln und auf unserer eigenen Strominsel leben – Freie Energie für alle!

OK, das war der Clickbait, jetzt mal im Ernst:
Windräder haben mich schon immer fasziniert.
Wind gibt es schon seit Anbeginn der Zeit und schon vor tausenden Jahren haben die Menschen sich die Kraft des Windes nutzbar gemacht.
Nur in der Neuzeit, in der Meinungen durch Konzerne gesteuert werden und niemand mehr selber denken will, sind Windräder etwas aus der Mode gekommen.
Lieber irgendwas verbrennen, das man aus dem Boden kratzen muss, damit die Umwelt zerstört und für dessen Beschaffung man erst mal Kriege führen muss.
Hört sich bekloppt an, ist aber so und die Mehrheit der Bevölkerung findet das gut!

Dabei gibt es heute viel mehr Möglichkeiten als früher, sich freie Energie nutzbar zu machen.
Solar, Wind, Wasser – man muss nur zugreifen.
Mit freier Energie meine ich übrigens nicht die Vodoo-Version aus der Schwurbler-Ecke, sondern die Energien, die uns umgeben, die wir direkt nutzen können, wenn wir unser Hirn und moderne Technik einsetzen. Politiker nennen das „erneuerbare Energien“, sprechen davon, wie toll das wäre, tun aber alles dafür, dass möglichst nur die Konzerne davon profitieren – man will ja sein Aufsichtsrat-Altersruhepöstchen nicht wegoptimieren.

Zum Ausprobieren und als Experiment bastel ich jetzt einfach mal ein Windrad und schaue, was dabei herauskommt.

Wir bauen uns ein Windrad für den Garten – los geht es!

Wofür wollen wir ein Windrad?

Natürlich muss man zuerst Ziele setzen: WAS genau will ich basteln?

Die Idee besteht darin, mit dem Windrad Strom zu erzeugen.
Nennenswerte Energie wird man in einem kleinen Garten damit sicher nicht ernten können.
Die ganzen dubiosen Windrad-Angebote in diversen Internet-Shops, die man sich in den Garten oder aufs Dach stellen kann und die angeblich den kompletten Strombedarf abdecken, vergessen wir einfach mal.
Das meiste davon ist absolut gelogen!
Die billigen Teile taugen nichts und die guten sind zu groß, oder zu teuer.

Innerhalb eines Ortes darf man zwar Windräder installieren, aber das heißt ja nicht, dass die Nachbarn damit einverstanden sind. So ein genehmigungsfreier 10m-Mast mit einem Windrad ist also keine Option.
Mitlesende Nachbarn können sich also wieder entspannen!

Die Kraft des Windes darf nicht unterschätzt werden – je größer die Anlage, desto weiter fliegt sie bei Sturm, wenn man nicht fachgerecht gearbeitet hat.

Also bleiben wir einfach mal bei einer Hobby-Anlage.
Natürlich soll das Ding Strom erzeugen.
Für mein Projekt wäre es schön, wenn man damit etwas Gartenbeleuchtung versorgen könnte.

Vertikal oder horizontal?

Die meisten Windräder sind horizontal aufgebaut, also ein Mast, obendrauf eine Gondel und daran ein Propeller mit angehängtem Generator. Die Drehachse liegt hier horizontal
Aber die Dinger brauchen viel Platz.
Nicht nur in der Höhe, sondern da sie sich immer in den Wind drehen, auch ringsherum. Mit einem 2 m Windrad braucht man schon einen mindestens 3m-Mast (mehr ist besser), einen dicken Pfosten, Abspannungen und vieles mehr. Viel zu viel Aufwand.

Vertikal-Windräder sind viel einfacher und platzsparender.
Die Achse steht senkrecht und die Windradflügel drehen sich wie bei einem Karussell.
Dafür sind sie aber leider auch weniger effizient.
Für meine Anwendung aber bestens geeignet, weil einfach zu basteln.
Ich entscheide mich für ein vertikales Windrad.

Erstes Windrad

Das erste Windrad im 3D-Druck habe ich bereits 2017 erstellt.
Über 2 Tage hat mein 3D-Drucker daran gewerkelt.
Das Ding war eine Fertigvorlage aus dem Internet und es hat sogar super funktioniert.
Das heißt, es hat sich gedreht.
Energie hat es natürlich nicht erzeugt.
Es war ein reines Windspiel.
Leider war nur 2 Wochen nach dem Druck eine Familienfeier und das Windrad wurde Opfer eines Fußballs. (Nein, es war ein Erwachsener, nicht die Kinder!)

Seither habe ich immer wieder zum Thema Windrad nachgedacht und wollte irgendwann so ein Ding basteln, aber immer waren irgendwelche anderen Dinge wichtiger.

Immerhin konnte ich im Kopf bereits ein Modell austüfteln.
Ich bastel gerne modulare Dinge, die sich beliebig kombinieren und verändern lassen.
Wieso ein großes Windrad, wenn man viele kleine nehmen kann?
Der Bauraum des 3D-Druckers ist zudem sehr begrenzt.
Wie kann man am besten ein GROSSES Windrad mit einem KLEINEN Drucker drucken?

So kam ich zum Spargelwindrad

Die Idee war also da, nur die Zeit fehlte.
Irgendwann habe ich dann doch angefangen und mir die ersten Teile in Freecad konstruiert und gedruckt und verworfen und neu konstruiert und gedruckt – mit vielen Pausen dazwischen.

Die ersten Windradflügel waren viel zu kompliziert, also habe ich sie immer weiter vereinfacht.
Im Foto sieht man den ersten Prototypen, den ich auch montiert habe.

Da ein einzelner Flügel nicht immer optimal im Wind steht, sind 2 übereinander montierte Flügel besser, die um 90° gegeneinander versetzt sind.
Um Kosten zu sparen, sollten möglichst nur vorhandene Teile zum Einsatz kommen.
Die Flügel im 3D-Druck, in der Mitte eine 8mm Gewindestange.
Die Flügel mit M8-Muttern fixiert.
Die Stange oben und unten mit Kugellager gelagert, fertig.
Simpel und einfach.
Als ich dann 2 Flügel fertig hatte und die Gewindestange in die Hand nahm, war mir diese zum Absägen zu schade – außerdem, warum nicht ein größeres Windrad bauen?
Mehr durchströmte Fläche gibt mehr Power!

Weil die Stange über 1m lang ist und weil die Windradgegner bei den großen Windrädern immer von „Verspargelung der Landschaft“ reden, nenne ich mein Windrad das „Spargelwindrad für den Garten“
Die Breite der Flügel ist durch den Druckbereich des 3D-Druckers begrenzt.
Die Höhe nur durch die Länge der Gewindestange.
Da die vom Wind durchströmte Fläche möglichst groß sein sollte, wird das Ding jetzt einfach höher, länger, spargeliger!

Statt 2 Flügel gibt es jetzt also so viele, bis die Stange voll ist.

Nach Monaten, in denen die ersten Teile nur im Keller herumlagen, habe ich mich dann am 21.7.2023 endlich aufgerafft und mal provisorisch etwas zusammengeschraubt.

Ein Holzgestell für 2 Windrad-Spargel – wie gesagt, das Ding ist ja modular.
Auf dem Foto ist erst ein Teil installiert, der Rest ist noch im Druck.
Theoretisch könnte man 100 Stück davon am Gartenzaun nebeneinander aufstellen und dann wirklich ein Haus damit versorgen. Aber das ist ein anderes Thema.
Nicht auszudenken, wenn das ein deutsches Forschungsinstitut weiterentwickeln würde und die Chinesen das Konzept dann klauen und solche Teile billig auf den Markt werfen.
Unser Energieproblem wäre gelöst!

Beispiel: Unsere Garage ist 6m breit. Da pfeift der Wind drüber.
Ein Windrad nach diesem Konzept mit 1m Höhe, etwas nach hinten versetzt, ist von der Straße nicht/kaum sichtbar. Es wären aber 6 m x 1 m = 6qm durchströmte Fläche!
Da würden 4 Windradspargel x 6 m = 24 Windradspargel nebeneinander passen.
Wenn so ein Teil im Schnitt nur 5 Watt erzeugt, wären das 120W, genug, um einen Teil der Grundlast abzudecken.
Teurer als Fotovoltaik, aber der Wind weht auch im Winter und bei Dunkelheit.
Als Ergänzung zur Fotovoltaik würde sich das sicher gut machen.

Hergestellt in Deutschland – unbezahlbar. Vom Chinesen geliefert – keine 500,- Euro für alles bei 6m x 1m.
Es könnte so einfach sein.
10 m Zaun? Warum nicht mit Windradspargel? 2 Meter hoch, das wären dann 80 Windradspargel, da wären wir schon bei 400 Watt! Statt eines Maschendrahtzaunes oder ähnlichem.
Aber genug geträumt.
Fangen wir mal ganz klein an!

Der Windrad-Spargel wächst!

Aus Holzresten habe ich ein Gestell für den Prototypen gebastelt.
Im 3D-Druck einen Halter für die Kugellager erstellt – herkömmliche Kugellager vom Discounter.
Gibts im 10er-Pack billigst.
Pro Windrad-Spargel benötigen wir 2 (oben/unten)
Eine 8mm Gewindestange vom Baumarkt oder auch im 10er-Pack aus dem Web (viel billiger und meistens auch nicht so verbogen!)
Dann die Windradflügel im 3D-Druck, da benötigt man vor allem Geduld.
8-9 Stück passen auf eine Gewindestange, Druckzeit: 4 Stunden pro Teil.
Gesamtkosten für einen Windradspargel: keine 10,- Euro.

Alles zusammengeschraubt und in den Garten gestellt.
Natürlich war es gerade jetzt absolut windstill!

Kurze Zeit später kam Wind auf und das Windrad drehte sich tatsächlich!

Die erste Spargelstange

Am nächsten Tag habe ich noch 3 Flügel gedruckt und die erste Spargelstange ist fertig.
Die Flügel wurden mit M8-Muttern an der Gewindestange befestigt und mit Sekundenkleber fixiert.
Ein Fehler im Prototyp ist natürlich gleich sichtbar – unten hätte ich mehr Leerraum lassen sollen.
Aber dafür ist es ja ein Prototyp.
Damit die Kugellager nicht rosten und das Windrad sich auch reibungsfrei dreht, habe ich noch eine Abdeckung erstellt und im 3D-Druck erstellt

Der innere Ring der Abdeckung entspricht dem inneren Ring des Kugellagers, die Öffnung ist genau 8 mm für die Gewindestange.
Die Abdeckung ist 5 mm größer, als das Kugellager, das sollte direkten Regen abhalten.
Zudem habe ich noch Keramik-Kettenöl angebracht, das ich sonst fürs Fahrrad nutze.

Die erste Spargelwindrad-Stange ist damit fertig.
Im Prototypen-Halter passen 2 Stangen rein, aber erst einmal geht es mit dem Generator weiter.
Die Gewindestange ist 100 cm lang, die durchströmte Fläche beträgt 0,8m x 0,25m.
Das sind gerade einmal 0,2 m², damit lässt sich natürlich kein Haus versorgen.
Für ein paar Garten-LEDs sollte es aber reichen.
Bei 9 km/h (2 Bft) Windgeschwindigkeit dreht das Windrad schon ganz ordentlich, die Böen erreichen beim Test ungefähr 22 km/h.
Der Garten ist leider (abgesehen vom Windrad eher „zum Glück“) ziemlich windgeschützt.
Das Windrad ist ein Langsamläufer, ich schätze mal, dass das Teil auch bei Sturm nicht viel mehr als 5 Umdrehungen pro Sekunde macht, das wären 300 U/min.
Fürs erste Generator-Tests nehme ich fertige kleine Getriebemotoren mit 12V.
Einen mit 100U/min und einen mit 300 U/min Nenndrehzahl.
Mal sehen, ob das Windrad die Dinger überhaupt anschieben kann und ob dann auch Energie erzeugt wird.
Erst einmal muss ich Motorhalter konstruieren.
Es bleibt spannend!

In groß könnte man solche Windräder auch irgendwo ins freie Feld stellen.
2 -4 Meter hoch, wie eine Litfaßsäule. Das dürfte schon ein bisschen Energie bringen.
Oder eben viele kleine nebeneinander, als Zaun.

Designänderung

Die Rotoren erweisen sich als zu einfach und nicht wirklich effizient.
Ich probiere mal ein Savonius-ähnliches Design.
Dank des 3D-Drucks kann man ja problemlos mit verschiedenen Ideen spielen, üben, lernen.

Vorteil der neuen Konstruktion:
Durch die beiden Halbscheiben, die zueinander versetzt sind, wird der Windradspargel breiter (30 cm statt 20 cm) und damit leistungsfähiger. Der Druckraum ist ja auf 20 cm begrenzt!
Durch die Überlappung drückt ein Teil des Windes durch die Mitte die gegenüberliegende Schaufel an, die gerade gegen den Wind arbeiten muss. Außerdem ist rund windschnittiger, als flach.
Die beiden neuen Rotoren drehen besser und schneller, als die erste Stange mit den 8 Schaufeln!
Die beiden Höcker oben sind Aufnahmen für den Generator, der später noch eingebaut wird.
Da kann ich dann verschiedene Motoren/Generatoren von oben einschieben, der Anschluss erfolgt über eine Wellenkupplung. Der Generatorblock wird dann nicht einmal festgeschraubt, sondern nur eingeschoben.
Die maximale Arbeitshöhe des 3D-Druckers liegt bei 25cm, daher werde ich auch noch versuchen, die Rotorblätter höher zu drucken. Man tastet sich langsam heran.

Der Generator!

Mal sehen, ob wir mit dem Windrad auch Strom erzeugen können.

Ich habe mir einen kleinen 12V-Motor besorgt. Mit Getriebe für maximal 200 U/min.
Das Teil hat 3 Watt und sollte das hoffentlich auch als Generator aushalten.
Ich schreibe ausdrücklich nicht von „erzeugen“.
Erst einmal geht es darum, ob das Windrad den Motor überhaupt bewegen kann!

Der Anschluss erfolgt von oben über eine Wellenkupplung auf die 8mm Gewindestange.
Ich habe links und rechts 2 Einschübe auf den Windradhalter montiert und die Motorhalterung wird einfach eingeschoben und über die Wellenkupplung fixiert.

Der 3D-Druck ist etwas unsauber, aber die Funktion ist gegeben.
Links und rechts ein Halter, dazwischen sieht man den Motoreinschub.

Die nächsten Bilder zeigen die Motoraufnahme nochmal im Detail.
Der Motor wird einfach von oben eingeschoben, nicht festgeschraubt.
Er muss ja nur am Verdrehen gehindert werden. Im Idealfall sollte sich nur die Welle drehen und dadurch Strom erzeugen.
Durch diese Art der Montage lassen sich viele verschiedene Motoren montieren und ausprobieren.
Im Freien muss später noch ein Wetterschutz drüber.
Bei der Motorhalterung fehlt auch noch ein Ablauf für Kondenswasser.

Die Höhe ist dabei flexibel. So muss man die Gewindestange nicht so perfekt in der Höhe ausrichten.

Nahaufnahme des neuen Windrades (das ältere Modell ist auch noch vorhanden und schiebt sich von links ins Bild)

Die unteren beiden Schaufeln sind erste Entwürfe:
10 cm hoch, 20 cm breit. Mit einem Halter verbunden ergibt sich eine Breite von 30 cm.
Größere Schaufeln sind aber besser, daher nutze ich den Bauraum des 3D-Druckers aus und drucke die obere Schaufel – 20 cm hoch, 20 cm breit. Viel mehr kann der Drucker nicht.
2 Schaufeln versetzt gibt wieder 30cm Breite, aber bei 20cm Höhe.
Für die Verbindung habe ich einfach 2 Scheiben gedruckt, in die eine Nut eingebracht ist.
Die Schaufeln werden einfach eingeklebt.
Das funktioniert sehr gut.
Die obere Scheibe ist dabei spiegelverkehrt zur unteren. Man kann später die Schaufeln links- oder rechtsrum laufend montieren. Allerdings nicht gemischt an einer Achse, das wäre nicht so toll 🙂

Hier sieht man die erste Windradspargelstange, wie es mal aussehen könnte.
Vermutlich werde ich von den neuen, größeren Schaufeln, 4 Stück auf die Gewindestange schrauben, das wären dann 80cm Höhe bei 30cm Breite.
Links das erste Modell, rechts das neue.
Unten ist der Halter zu sehen, in dem ein einfaches Kugellager montiert ist. Das ist schön gefettet, damit es nicht rostet.
Die Gewindestange ist noch recht leer, da kommt noch mehr.
Über dem Kugellager ist eine kleine Schutzabdeckung montiert, damit das Kugellager nicht nass wird.
Darüber 2 Stück vom älteren Entwurf und der erste Rotor der aktuellen Generation mit 30cm x 20cm im Savonius-ähnlichen Design. Die Scheiben sind aus drucktechnischen Gründen nicht bis zum Rand ausgeführt, da der Drucker nur 20cm kann.
Oben ist die 2. Aufnahme für die Gewindestange, wieder mit einer Schutzabdeckung. Dann der Halter für den Motor, der als Generator dienen soll. Der Motor ist nur eingesteckt und über eine Wellenkupplung verbunden.
Erst mal soll sich zeigen, ob der Rotor mit Motor drehen kann, aber natürlich ist es genau jetzt absolut windstill. Später soll es wieder regnen.
Dann müssen wir halt warten. Solange druckt noch eine weitere Windschaufel.

Es dreht sich

Immerhin, das Windrad dreht sich schon mal.
Mit angeflanschtem Motor fehlt noch die Kraft. Der Widerstand des Motors ist zu hoch.
Es ist ja aber auch erst eine Windschaufel montiert. 4 sollen es werden.
Für weitere Generatortests bestelle ich erst mal eine Auswahl an Motoren im Internet.
Mal sehen, ob was brauchbares dabei ist.
Ein Scheibengenerator wäre optimal. Die sind aber teuer, sehr schwer zu bekommen, oder aufwändig im Selbstbau.

Farbe und der WAF (Woman Acceptance Factor)
Es ist nur ein Prototyp, ein Holzgestell für den Prototypen für schnelle Basteleien.
Aber man muss natürlich auch auf die Frauen Rücksicht nehmen.
Knallbunt ist daher nicht so gut. Das fertige Windrad muss unauffällig sein.
mattes Weiß oder ein anthrazit sind ganz gute Farben.

Da mir gerade das Filament in Weiß mit Marmoreffekt ausgegangen ist, habe ich auf Anthrazit, Dunkelsilber mit Glitzereffekt umgestellt. Das sieht richtig edel aus.
Ein Rotorblatt ist gedruckt. Fehlt noch ein zweites, sowie Boden und Deckel, damit eine weitere Windschaufel einsatzbereit ist.

Wie es weiter geht

Allein bis hierher hat es Jahre gedauert!
Mal sehen, wie schnell es weiter geht.

Ob ich mit dem Ding irgendwann mal die Deko-Beleuchtung im Garten betreiben kann?

Ein Scheibengenerator wäre interessant, derzeit fehlt mir aber die Zeit.
Daher erst mal mit einem einfachen 12V-Motor testen.

Mehr Zeit wäre gut. Leider gibt es so viel zu tun, das wichtiger ist.