Windenergie - Die Windmühle als Stromerzeuger

In unserem Experiment, geht es um die Gewinnung von Windenergie in elektrischer Energie. Dabei sollte ein hoher Anteil der Windenergie genutzt werden um bei gleicher Windstärke mehr elektrische Leistung zu erzeugen (Wirkungsgrad). Das Problem bei diesem Versuch war, dass Windrad so zu konstruieren, dass es möglichst viel Wind aufnimmt. Dies haben wir gelöst, indem wir einen umgebauten Staubsauger einen „ Windstrahl" erzeugen ließen, so dass wir das Windrad genau dem Strahl anpassen konnten. Ein weiteres Problem war, der optimale Winkel und die Anzahl der Flügel. Wir sind zum Ergebnis gekommen, dass acht Flügel und einen Neigung von ca. 30° am sinnvollsten ist. Wir haben dann auch ein Windrad selber aus Pappe und Holz gebaut, das aber leider nicht so effektive wie ein gekauftes aus reinem Plastik war. Diese beiden Windräder, das selbst Konstruierte und das Gekaufte, haben wir dann auf einen Generator aufgesetzt und es per Ventilator bzw. umgebauter Staubsauger in Bewegung gesetzt. Das konstruierte Windrad, das auf einen Generator aufgesetzt war, der eigentlich als Außenspiegelmotor in einem Auto verwendet wurde, erzeugte eine Spannung von 2V und eine Stromstärke von 0,03A ohne Verbraucher. Diese Leistung von 0,06 W, reicht um ein LED. zum leuchten zu bringen. Das gekaufte Windrad und der zugehörige Generator erzeugten eine Spannung von 11,6 V und eine Stromstärke von ca. 0,16 A ohne Verbraucher. Mit dieser Leistung von 1,856 W kann man ohne Probleme eine 1,5 V Birne antreiben. Danach haben wir versucht einen gleichen Generator als Motor anzutreiben und so eine Last per Seil und Spule hochzuziehen. Das bedeutet: Ein umgebauter Staubsauger treibt das gekaufte Windrad mit Generator an, der mit seiner erzeugten elektrische Energie ein Motor antreibt, der per Seil und Spule eine Last von 40g hochziehen kann. Bei diesem Vorgang erzeugt der erste Generator eine Spannung von 10,7 V und eine Stromstärke von 0,6V (6,42W). Die verlorene Leistung oder Energie finden wird in einer andere Energieform umgewandelt wieder; als Bewegungsenergie. Das bedeutet: Windenergie (umgebauter Staubsauger) wird in Bewegungsenergie umgewandelt (drehen des Windrades), dann in elektrische Energie (Generator 6,42W) und zum Schluss wieder in Bewegungsenergie ( Motor und Bewegung der Last).

Zum Schluss wollten wir dann diese Konstruktion mit einem Goldkondensator verbinden. Wir wollten die gewonnen Energie speichern und danach wieder abgeben. Dieses Prinzip ist z.B. in der Natur günstig. Man lädt den Kondensator bei starkem Wind auf und kann dann bei wenig Wind und nicht ausreichender Leistung die gespeicherte Energie verwenden. Dieser Versuch schlug jedoch fehl, da es eine zu lange Zeit benötigt den Goldkondensator aufzuladen und es würde sich für unseren Versuch nicht rentieren, weil der Goldkondensator nur eine bestimmte Spannung aushalten kann.

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Der Generator

Das Wichtigste um aus Windenergie elektrische Energie zu gewinnen ist neben dem Windrad und dem Wind der Generator, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Der Generator arbeitet nach dem Selben Prinzip einen Elektromotors. Wenn man Strom durch einen Leiter durchfließen lässt, dann entsteht ein Magnetfeld. Bei einem Motor fließt Strom durch Spulen, die dann ein Magnetfeld erzeugen. Dieses Prinzip wird beim Generator umgedreht, so dass man aus einem Magnetfeld fließenden Strom erzeugt.
Versuch 1: Ein beweglicher Magnet auf einer Spitze wie ein Kompass, steht neben einer Spule, die parallel an ein Voltmeter angeschlossen ist. (Es wird noch ein Stromverstärker mit angeschlossen, der den kleinen Stromfluss, der erzeugt wird, auf dem Voltmeter erkennen besser erkennen lässt). Sobald man den beweglichen Magneten, der in der Nähe der Spule steht in Bewegung setzt (hierbei spielt es keine Rolle in welche Richtung er bewegt wird oder ob er sich nur auf der Spitze dreht), zeigt das Voltmeter eine schwankende Spannung an. Das Bedeutet bewegt sich der Magnet in der Nähe der Spule, so entsteht an den Enden der Spule eine elektrische Spannung. Dieses nennt man elektrische Induktion mit Hilfe eines Magnetfeldes. Im Inneren der Spule muss sich das Magnetfeld verändern, um elektrischen Strom zu erzeugen. Dies machen wir in dem der Magnet bewegt wird.

 

Die Spule in einem wird durch einen Motor oder ähnliches angetrieben. Die Spule wird um eine Achse gedreht. Zwei Magneten sind dicht, aber fest, ohne Kontakt zur Spule montiert, so dass sie das Magnetfeld im Inneren der Spule verändert. Der elektrische Strom der durch diese Veränderung erzeugt wird, wird durch zwei Kohlestiften, die ständigen Kontakt mit der drehenden Spule haben (durch Reibung) weiter geleitet, zu einem Widerstand z.B. Glühbirne. Hierzu zwei Versuchsaufbauten mit einem Generator, der zum einen per Motor angetrieben wird und zum andern per Handkurbel:

 

Allgemeines zur Windenergienutzung

Kerndaten der Geschichte der Windkraft

Die Geschichte der Windkraft in Europa begann im 16. Jahrhundert mit den "Windkraftnationen" Deutschland, Dänemark und Holland. Hermann Honnef verfolgte 1932 die Idee, Windkraft zur Stromerzeugung zu nutzen. Durch Probleme bei der Verwirklichung des Projekts blieb es jedoch bei einem Vorschlag. Honnef gilt trotzdem als Pionier der Windenergie. 1942 gilt als Startjahr der modernen Windenergienutzung. Die Voith-Hütter-Anlage wird 1980 gebaut. Der kleine Rotorblattquerschnitt ergab bauliche Probleme. Es gab kaum Materialien, die mit ihren Festigkeitswerten die auftretenden Belastungen im gegebenen Querschnitt ertragen konnten, außer Kohlefaser. 1980 ist auch das Geburtsjahr der einst größten Windkraftanlage genannt GROWIAN. Die Anlage nahm 1983 an der Nordseeküste den Versuchsbetrieb auf, sie wurde 1987 wieder abgebaut. Seit 1995 gibt es ernsthafte Bestrebungen, private Windenergie in allen deutschen Bundesländern zum Durchbruch zu verhelfen. 1998 gibt es die ersten getriebelosen Windkraftanlagen mit 1,5 MW Leistung.

Funktionsweise eines modernen Windkraftwerkes

Eine moderne Windkraftanlage besteht äußerlich aus drei wichtigen Teilen: Mast, Maschinenhaus und Rotorblättern, der elementare Teil ist das Maschinenhaus. Wenn es windig ist, werden die Rotorblätter per Computer in Wind gedreht. Sie beginnen sich zu drehen, dadurch dreht sich die Welle mit, die am Getriebe befestigt ist, falls ein Getriebe benötigt wird. Dort wird die Umdrehungszahl in für den Generator geeigneten Werte umgewandelt. Der Generator erzeugt aus dieser mechanischen Energie Strom, welcher entweder vom Besitzer des Kraftwerkes verbraucht, oder ins Stromnetz eingespeist wird.

Gebrauch und Verwendung moderner Windkraftanlagen

Die beste Lage für eine Windkraftanlage sind windige Gebiete, d.h. am Meer oder in Höhenlagen. Am geeignetsten sind Gebiete mit einer Winddurchschnittsgeschwindigkeit von etwa 21 km/h. Windkraftanlagen werden oft von Landwirten, also Privatleuten, insbesondere in Schleswig-Holstein, benutzt, die damit ihren eigenen Energiebedarf abdecken, nicht benötigter Strom wird meist verkauft. Windenergie ist die von Privatleuten mit etw.3000 Millionen kWh zweit meist eingespeiste erneuerbare Energie (nach Wasserkraft) in Deutschland (1997).

Technische Daten eines modernen Windkraftwerkes

Höhe des Mastes: 40 -120 m
Länge des Flügels: 19 -29 m
Gewicht eines Flügels: 4500 kg
Material der Flügel: Kohlefaser-Kunststoffgewebe
Übersetzungsverhältnis des Getriebes: 1:55 -1:80
Gewicht des Getriebes: bis zu 12.200 kg
Drehzahl des Generators: 1000 -1500 U/min
Effektivität des Generators: bis zu 96%
Leistung des Generators: 600 -1300 kW
Umdrehungszahl des Rotors: bis zu 27 U/min
Startwind für Rotor: ab 3 m/s
Stoppwind für Rotor: 25 m/s
Hauptleistung des Rotors: 13 bis 15 m/s

Martin Rudolph und Jens Teichler

 

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