Dieser Artikel soll nicht nur alleine die Vorzüge dieser sauberen Energieform aufzeigen,
sondern betrachtet die Windkraftnutzung vor allem als eine Art Zeitvertreib , ein Hobby das den
technisch versierten Laien überaus fordern und begeistern kann. Die erste Frage vieler Besucher :
Was bringt das (finanziell !!)? , ist in dem Zusammenhang von untergeordneter Bedeutung.
Da Windkraftwerke, die von Laien errichtet werden, sich meistens in unmittelbarer Nähe zu Wohnhäusern befinden, lohnt es sich immer das Thema "Landschaftsverschandelung durch Windmühlen" mit den Anwohnern und Nachbarn zu klären. Ein weiteres Stichwort wäre z.B. Lärmentwicklung.
Wer Windkraftwerke bauen will, muss sich auf folgenden Gebieten auskennen respektiv sachkundig machen : Fundamentbau, Mastbau (Stahlrohr, Stahlgitter oder Beton), Maschinenbau (Gondel,Antriebsstrang,Blattverstellung), Aerodynamik (Rotorblätter), Elektroinstallation (Generator, Windrichtungsnachführung), Elektronik (Regelkreise, Netzkoppelanlagen, Wechselrichter). Grosser Spielraum ist also vorhanden für alle möglichen Beschäftigungen mit der "Materie Wind".
Wer jetzt mit Geld- und Zeitaufwand einsteigt, sollte bedenken, dass noch kein Meister vom Himmel gefallen ist. Um sich herbe Enthäuschungen zu ersparen, sollte klein angefangen werden. Eine Windkraftanlage (WKA) ist allen Witterungsverhältnissen ausgesetzt und muss selbst schwerste Stürme überstehen. Dies bedingt eine entsprechend stabile Auslegung aller vitalen Teile. Um entsprechende Erfahrungen mit dem Element Wind zu sammeln sollte zuerst eine kleine "Testwindmühle" gebaut werden (max. 2-3 m Durchmesser). Nach einigen Jahren Betriebszeit stellt der Bastler fest, ob er den richtigen Weg gewählt hat. Man bedenke nur dass eine WKA bei einer Windleistung von 10 Watt pro Quadratmeter anlaufen sollte, aber bei mehr als 2000 W/m2 nicht zerstört wird. Dieser scheinbare Widerspruch zeigt in aller Deutlichkeit die ganze Problematik.
Nun aber näher im Detail zu den beiden vom Autor gebauten Windmühlen. Die kleine WKA hatte einen 2-Blatt Holzpropeller mit 1,98 Meter Durchmesser, selbstgefertigt aus einem Stück Eschenholz. Der Generator war ein Autoalternator, umgewickelt auf niedrige Drehzahl und etwa 350 Watt maximale Leistung. Diese beiden Hauptkomponenten sollten bestmöglichst aufeinander abgestimmt sein. Da ein Holzrepeller mit 2 Meter Durchmesser maximal etwa 1000 U/min laufen kann, (Fliehkraft !!) sollte der Generator bei dieser Drehzahl die jetzt anstehende Leistung abgeben können. Ein 55 A Alternator ist gerade erst erregt bei 1100 U/min und kann die 55 A bei etwa 4000 U/min abgeben. Hier würde also die Leistungskurve überhaupt nicht zum Rotor passen. Dessen Leistungsbereich liegt zwischen 250 und 1000 U/min . Ausserdem ist die maximale Leistung viel zu hoch (55 A statt etwa 18 A). Durch Umwickeln der Lichtmaschine wird erreicht dass die Verhältnisse genau passen. Als Sturmsicherung war die Windfahne der Windmühle um 90 Grad abwinkelbar. Dies besorgte ein kleiner Elektromotor.
Eine vom Autor entwickelte Steuerung besorgte die Ueberwachung und Regelung aller Funktionen. Die einzelnen Schaltpunkte waren: Ein- und ausschalten der Vorerregung, ein - und ausschalten der Vollerregung, Sturmstellung. Eine Drehzahlmessung direkt am Rotorblatt über Infrarot- Lichtschranke gab die jeweiligen Istwerte vor. Mittels LED wurde der jeweilige Schaltzustand auf der Frontplatte des Regelgerätes angezeigt. Ausserdem gab es je ein Instrument für Rotordrehzahl (0 bis 1500 U/min), Generatorstrom (0 bis 25 A), Batteriespannung (0 bis 15 V). Die WKA befand sich auf einem Holzmasten. Die Nabenhöhe war 7,2 m. Diese geringe Höhe stellt ein Problem dar für einen extremen Schnellläufer. Dieser Rotor hatte eine Schnelllaufzahl von 10. (Lambda 10 bedeutet dass die Aussenkante des Rotors mit der 10-fachen Windgeschwindigkeit durch die Luft saust). Bei 12m/s machen die Blattspitzen also annähernd 450 km/h. Bei dieser hohen Geschwindigkeit versteht es sich von selbst, dass das Profil absolut exakt gearbeitet sein muss und kein Wirbel den freien Lauf des Rotors stören darf. Dieses ist aber nur der Fall in sehr grossen Höhen. Nach etwa 4 Jahren Betrieb hat der Autor ein Wohnhaus in die Hauptwindrichtung vor die Mühle gebaut. Jetzt drehte die Mühle in noch mehr Wirbeln und darüberhinaus im Windschatten des Hauses. Ein Abreissen der WKA wurde unumgänglich. An anderer Stelle entstand eine andere, höhere und grössere Anlage.
Die erste WKA war eher als Versuch gedacht, erste Erfahrungen mit der Kraft des Windes zu sammeln. Es war nie an eine langjährige Betriebszeit gedacht gewesen. Alleine der Standort und die Nabenhöhe hätten in diesem Fall anders gewählt werden müssen. Dementsprechend bestand die ganze Anlage zum grössten Teil aus Gebrauchtteilen, die vom Schrott kamen. Der Reiz aus allen möglichen, -noch brauchbaren-, Teilen ein funktionsfähiges Windrad zu bauen ist von ganz besonderer Art.
Für die zweite grössere Anlage galt im Prinzip die gleiche Theorie. Es sollte aber ein langjährig funktionsfähiges Kraftwerk entstehen. Funktionssicherheit, Sturmfestigkeit, Wartungsfreundlichkeit oder sogar Wartungsfreiheit sollten in diesem Fall die angestrebten Ziele sein. Dieser Optik folgend hat der Autor eine WKA aus industriell gefertigten Komponenten aufgebaut . Es wurde eine Netzkoppeleinheit vorgesehen um den Wartungsaufwand und die Batteriekosten zu umgehen. Als Turm wurde ein neunfach abgespannter Stahlgittermasten genommen. Er stand als Reservemasten einer Sendeanlage zur Verfügung.
Die Eckdaten der Anlage sind : Nabenhöhe 27 m, Rotordurchmesser 5 m, Generatornennleistung 2500 W, Windrichtungsnachführung mittels Windfahne, Netzkoppeleinheit für 10 kW Nennleistung (Spitze 20 kW).
Bevor ein derartiges Projekt in die Wirklichkeit umgesetzt wird, sollte eine Messphase von mindestens einem Jahr am vorgesehenen Standort eingeplant werden. Gemessen wird am besten in Nabenhöhe der zukünftigen Windmühle. Dieses bedingt dann aber einen hohen Messmasten. Eine andere Möglichkeit ist es den richtigen Masten sofort zu errichten. Dadurch ist aber die Standortfrage im voraus geklärt. Nachdem der Windklassenzähler die Winddaten während einem Jahr gesammelt hat, ist es leicht den Ertrag zu errechnen den eine gegebene Anlage an diesem Standort erbringt.
Die WKA sollte ihr Optimum gerade im Bereich der meist vorherrschenden Winde haben . Sie sollte leicht anlaufen um auch schwache und unstete Winde gut nutzen zu können . Diese Forderung erfüllt ein 3-Blattrotor mit starren Blättern aus Glasfaserkunststoff ganz gut. Ein Rotor mit verstellbaren Blättern zeigt zwar einen noch besseren Anlauf, lässt sich auch in die Sturmstellung fahren , hat aber den Nachteil der geringeren Stabilität und des grösseren Wartungsaufwandes. Der Rotor ist direkt mit dem Generator verbunden. Der Generator muss also langsam laufend sein (375 U/min). Dadurch wird er gross und schwer. Dieser Nachteil wird wieder wettgemacht durch das Einsparen eines Getriebes. Dadurch läuft die Anlage leicht an und der Wartungsaufwand für das Getriebe entfällt. Der Generator selbst hat einen Dauermagnetläufer, das spart die Erregerleistung. Die Wicklung ist 3-phasig für 120 Volt ausgeführt.
Der Clou des gesamten Systems ist aber die Netzkoppeleinheit. Dieses Gerät führt mehrere Funktionen aus die im folgenden kurz erläutert werden sollen. Die eigentliche Kunst besteht darin dem Rotor immer nur soviel Energie zu entziehen wie gerade im Wind enthalten ist. Ist die Last am Rotor zu gross wird er abgewürgt; es entsteht Strömungsabriss am Flügel (Stalleffekt) und die Mühle bleibt stehen. Ist der Rotor zu schwach belastet wird die Leistung unnütz verschenkt und der Flügel geht auf Ueberdrehzahl. Ueber den gesamten Arbeitsbereich der Anlage muss der Arbeitspunkt dauernd verschoben werden um einen optimalen drehzahlvariablen Betrieb zu erreichen.
Der 3-phasige Wechselstrom des Generators wird zunächst gleichgerichtet und dann über eine gesteuerte Drehstrombrücke 3-phasig ins Netz eingespeist. Das Netz gibt den Takt für die Thyristoren vor. Dadurch ist gleichzeitig eine totale Sicherheit bei Netzausfall gegeben. Es kann in diesem Fall kein Strom ins Netz fliessen da die Taktimpulse fehlen. Bei direkt mit dem Netz gekoppelten Generatoren besteht prinzipiell die Gefahr der Stromeinspeisung bei abgeschaltetem Netz. Durch den erheblichen Aufwand des Gleichstromzwischenkreises werden also mehrere Vorteile erkauft:
1. Die Mühle läuft drehzahlvariabel, d.h. die Schnelllaufzahl gilt für alle Windgeschwindigkeiten. Bei starrer Kopplung mit dem Netz gibt es strenggenommen nur einen optimalen Arbeitspunkt.
2. Die Leistungskurve der Anlage ist frei programmierbar. Jede WKA ist anschliessbar, sogar eine Photovoltaikanlage, oder jeder andere Stromlieferant.
3. Die Sicherheit des Netzes ist systembedingt optimal.
Der einzige Nachteil besteht in der relativ hohen Empfindlichkeit gegenüber Ueberspannungen. Im Netz der EVU treten sehr häufig Störspitzen infolge von Schaltvorgängen oder Blitzschlägen auf. Weniger häufig, aber doch möglich sind Blitzschläge in die WKA selbst. Es ist also dafür zu sorgen dass das Generatorkabel sowie auch das Netzkabel mit Varistoren (40000 A) geschützt sind.
Ueber Betriebserfahrungen kann der Autor an dieser Stelle nicht allzuviel sagen. Ein mechanischer Defekt am Generator (Herstellerfehler) hatte die Anlage nach 5 Monaten und einigen hundert Betriebsstunden stillgesetzt. Da es nicht möglich ist mit dem Kran zur Herbst- und Winterzeit ins Gelände zu fahren konnte die Anlage nicht wieder in Betrieb gehen. Erste Betriebsergebnisse mit Aussagekraft können frühestens für Ende 1995 erwartet werden.
An dieser Stelle soll noch kurz das Thema Subvention durch den Staat angesprochen werden. Der finanzielle Anreiz mag für manchen Betreiber ein Ansporn sein. Vom Energieministerium wird eine WKA mit 25% bezuschusst, das Maximum beträgt aber nur 60.000 lfr. Da Windkraftwerke, die durch Privatleute betrieben werden, zu den haustechnischen Installationen gerechnet werden, müsste bei Neubau der superreduzierte TVA-Satz zur Anwendung kommen. Tatsache aber ist bis jetzt dass z.B. eine "ordinäre Mazoutheizung" diesen Vorteil geniesst, eine Windmühle aber nicht. So entsteht das Kuriosum dass der engagierte Betreiber viel mehr Steuern (TVA) an den Staat abführt als er Subvention erhält. Von dieser Warte aus betrachtet wäre der Anreiz Windkraftwerke zu bauen eher bescheiden.
Dieser Artikel kann die ganze Windkraftproblematik natürlich nur oberflächlich aufzeigen. Für weiterreichende Informationen steht der Autor gerne zur Verfügung.
Paul Klopp
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