Windkraftanlage

Eine Windkraftanlage ist ein Rotor aus langen, wie Tragflächen geformten Blättern, den der Wind dreht und der oben auf einem Turm einen elektrischen Generator antreibt. Kleine Anlagen laden Batterien; große, deren Rotor über hundert Meter misst, speisen über einen Transformator ins Netz ein.

Was es ist

Eine Windkraftanlage ist eine Windmühle, die Strom erzeugt: Der Rotor dreht eine Welle, und die Welle treibt einen Generator an. Die hier gezeichnete Maschine hat den Aufbau fast aller großen Anlagen von heute. Drei schlanke Rotorblätter (1) stehen vor einem Stahlturm (7) im Wind, und die Gondel obendrauf enthält den Triebstrang und dreht sich mit dem Wind.

Wie es funktioniert

Die Leistung des Windes beträgt P = ½·ρ·A·v³. Dabei ist ρ die Dichte der Luft, etwa 1,2 kg/m³, A die vom Rotor überstrichene Fläche und v die Windgeschwindigkeit. Ein Rotor von 3 Metern Durchmesser überstreicht rund 7,1 m². Bei 6 m/s trägt der Wind, der hindurchströmt, ½ × 1,2 × 7,1 × 6³ ≈ 920 Watt; bei 12 m/s das Achtfache, etwa 7,4 kW. Deshalb stehen Windkraftanlagen auf hohen Türmen, wo der Wind kräftiger weht.

Ganz ausschöpfen kann ein Rotor diese Leistung nicht. Er gewinnt Energie, indem er die Luft abbremst, doch die gebremste Luft muss hinter ihm noch abfließen, sonst käme keine neue nach. Um 1920 zeigte der deutsche Physiker Albert Betz, dass höchstens 16/27, also 59,3 %, zu gewinnen sind. Reale Anlagen nutzen über ihren Betriebsbereich meist etwa 35 bis 45 %; ein großer moderner Rotor kommt im günstigsten Betriebspunkt auf fast 48 %, und Getriebe und Generator verlieren noch etwas.

Der Blattquerschnitt ist eine Tragfläche. Das Blatt ist verwunden, weil die Spitze viel schneller läuft als die Wurzel.

Moderne Rotorblätter sind Profile wie ein Flugzeugflügel und arbeiten mit Auftrieb. Weil sich das Blatt schnell quer zum Wind bewegt, trifft die Luft es überwiegend von der Seite, und der Auftrieb an seinem Profil zieht es herum. Die Schnelllaufzahl, also die Geschwindigkeit der Blattspitze geteilt durch die Windgeschwindigkeit, liegt bei dreiblättrigen Netzanlagen um 7: Bei 10 m/s Wind bewegen sich die Spitzen mit etwa 70 m/s.

In der Nabe (2) sitzt jedes Blatt in einem großen Lager und lässt sich um seine eigene Achse drehen. Mit dieser Blattverstellung holt der Rotor unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit so viel heraus wie möglich und begrenzt die Leistung darüber. Sie läuft bei der Einschaltgeschwindigkeit an, etwa 3 bis 5 m/s, und erreicht bei ihrer Nennwindgeschwindigkeit die volle Leistung. Oberhalb der Abschaltgeschwindigkeit, etwa 25 bis 29 m/s, stellt sie die Blätter in Fahnenstellung, der Rotor wird langsamer, und eine Bremse hält ihn fest. Eine Windfahne auf der Gondel meldet die Windrichtung, und Azimutmotoren (6) drehen die Gondel auf einem Zahnkranz, so wie die Windrose bei der Windmühle die Kappe.

Bei großen Anlagen dreht sich die Hauptwelle (3) mit etwa 8 bis 20 Umdrehungen pro Minute. Im klassischen Triebstrang übersetzt ein Getriebe (4) diese Drehzahl etwa hundertfach für den Generator (5), der mit über tausend Umdrehungen pro Minute läuft. Andere Bauarten nutzen einen mittelschnellen Generator mit weniger Übersetzung oder kommen ganz ohne Getriebe aus, mit einem großen, langsamen Generator mit vielen Magnetpolen. Leistungselektronik passt den Strom an die Netzfrequenz an, und ein Transformator erhöht die Spannung.

Bauanleitung

Eine kleine Anlage kann eine 12-Volt-Bleibatterie laden. Bauen Sie sie nach einem veröffentlichten, erprobten Plan, der Blätter, Mast und Überdrehzahlschutz festlegt; die Schritte unten zeigen, was ein solcher Plan abdecken muss. Klären Sie zuerst die örtlichen Bauvorschriften und sprechen Sie mit den Nachbarn.

Den Standort wählen. In Bodennähe ist der Wind schwach und böig. Eine gängige Regel setzt die Unterkante des Rotors mindestens 9 Meter über jedes Hindernis im Umkreis von 90 Metern. Ein Anemometer in der geplanten Höhe gibt nach einigen Wochen einen ersten Eindruck; erst ein ganzes Jahr zeigt die Jahreszeiten.

Den Generator wählen. Ein Gleichstrommotor mit Permanentmagneten, etwa aus einem Laufband, arbeitet gut als Generator. Treiben Sie ihn mit einer Bohrmaschine bei bekannten Drehzahlen an, mit angeschlossener 12-Volt-Last, und messen Sie Spannung und Strom: Bei einigen hundert Umdrehungen pro Minute, die der Rotor erreichen kann, muss er oberhalb von etwa 14 Volt einen brauchbaren Strom liefern.

Blätter aus Kunststoffrohr, ein Laufbandmotor und eine Fahne aus Blech.

Den Rotor bauen. Pläne für kleine Anlagen schneiden die Blätter oft aus Kunststoffrohr oder schnitzen sie aus leichtem, geradfaserigem Holz. Halten Sie sich an Rohrqualität, Wandstärke und Blattform des Plans: Rohrblätter ermüden und können an der Wurzel reißen. Klemmen Sie jede Blattwurzel zwischen zwei Metallplatten an der Nabe, wuchten Sie den Rotor aus, bis er in jeder Stellung stehen bleibt, und tauschen Sie ein Blatt beim ersten Riss aus. Ein Rotor von 1,1 Metern Durchmesser erhält bei 5 m/s etwa 70 Watt Windleistung; 10 bis 20 Watt an der Batterie sind eine grobe Schätzung, die nur eine Messung bestätigen kann.

Mast und Fahne. Eine flache Windfahne an einem Ausleger hält den Rotor im Wind. Setzen Sie den Motor auf ein Drehlager oben auf einem Stahlrohr mit Gelenkfuß und verankern Sie die Abspannseile in einem Abstand vom Fuß, der der Hälfte bis drei Vierteln der Masthöhe entspricht, damit sich der Mast umlegen lässt. Verwenden Sie den Mast des Plans, für die Last ausgelegte Anker und eine Handwinde zum Aufrichten.

Vor Überdrehzahl schützen. Bei einer Böe oder ohne elektrische Last kann ein Rotor so schnell werden, dass er bricht. Eine Anlage im Freien braucht einen selbsttätigen Schutz: Viele Kleinanlagen haben eine klappbare Fahne, die den Rotor bei starkem Wind aus dem Wind dreht; andere setzen auf Strömungsabriss oder verstellbare Blätter. Ohne einen solchen Schutz darf eine Anlage nicht im Freien laufen, und auch mit ihm wird eine Kleinanlage vor einem Sturm angehalten und umgelegt.

Die Verkabelung. Verbinden Sie den Generator über eine Sicherung und eine Sperrdiode, die verhindert, dass die Batterie den Motor antreibt, mit der Batterie. Ein Ballastregler, ausgelegt für den Strom des Generators und nach seinem eigenen Schaltplan angeschlossen, überwacht die Batteriespannung und leitet die Leistung in eine Ballastlast, sobald die Batterie voll ist: Widerstände, die die volle Leistung bei Batteriespannung aufnehmen können, denn ein Netzheizgerät nimmt bei 12 Volt viel zu wenig auf. Ein Schalter, der den Generator kurzschließt, bremst den Rotor bei schwachem Wind, hält ihn aber nicht fest; binden Sie ein Blatt am Mast an, bevor Sie den Rotor anfassen.

Für ein Tischmodell stellen Sie einen kleinen Motor mit Pappflügeln vor einen Ventilator und messen die Spannung bei jeder Stufe.

Sicherheit. Blattspitzen sind viel schneller, als es aussieht: Stellen Sie sich nie in die Rotorebene. Steigen Sie nie auf einen Mast, solange sich die Anlage drehen kann; halten Sie sie an und legen Sie den Mast um. Beim Aufrichten und Umlegen müssen alle weiter entfernt stehen, als der Mast hoch ist, und Mast samt Fallbereich müssen weit von Freileitungen entfernt sein. Bleibatterien enthalten Schwefelsäure und geben beim Laden explosiven Wasserstoff ab: Stellen Sie sie in einen belüfteten Kasten, fern von Funken und Wohnräumen. Ein Kurzschluss an einer Batterie kann Kabel schmelzen lassen und einen Brand auslösen. Schließen Sie eine Windkraftanlage nie selbst an die Hausinstallation oder das Netz an; dafür braucht es einen zugelassenen Wechselrichter und eine Elektrofachkraft.

Geschichte und Entwicklung

Im Juli 1887 stellte James Blyth, Professor in Glasgow, an seinem Ferienhaus in Marykirk in Schottland eine Windmühle mit vier Tuchsegeln auf. Ihr Dynamo lud Akkumulatoren, die das Haus beleuchteten. Schon 1883 war in Wien ein windgetriebener Dynamo gezeigt worden, doch Blyths Anlage ist die erste gut belegte im Alltagsbetrieb.

Brushs Anlage in Cleveland: 144 Zedernholzblätter auf einem Rotor von 17 Metern.

Im Winter 1887/88 baute Charles F. Brush in Cleveland, Ohio, einen Winddynamo mit 144 Blättern aus Zedernholz auf einem 18 Meter hohen Turm. Er lud 12 Batterien. Sein Dynamo wird meist mit 12 kW angegeben, ein späterer Zeitungsbericht nennt allerdings 1,2 kW. Ab 1891 erprobte Poul la Cour in Askov in Dänemark Windkraftanlagen; später bildete er auch Landelektriker aus, die solche Anlagen bauten.

Amerikanische Farmen kauften Ladewindräder in großer Zahl; allein die Brüder Jacobs bauten rund 20.000 Stück, bis sie 1956 schlossen, als das Stromnetz die Höfe erreicht hatte. Am 19. Oktober 1941 ging in Vermont die zweiblättrige Smith-Putnam-Anlage mit 1,25 MW ans Netz; 1945 verlor sie ein Blatt. 1957 baute Johannes Juul in Gedser in Dänemark eine 200-kW-Anlage mit drei Blättern, Stallregelung und Asynchrongenerator. Dieses „dänische Konzept“ prägte die Anlagen, die ab Ende der 1970er-Jahre gebaut wurden.

2025 wurde in China ein Prototyp mit 26 MW und 310 Meter Rotordurchmesser zur Erprobung errichtet. Im selben Jahr lieferte der Wind 8,5 % des weltweiten Stroms.