Ein Projekt der Gymnasialen Oberstufe am Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
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Ein Projekt der Gymnasialen Oberstufe am Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
Graf-Münster-Gymnasium
Schützenplatz 12
95444 Bayreuth
Tel.: 0921/759830
Fax: 0921/7598330
E-Mail: sekretariat@gmg-bayreuth.de
Bayreuth, im Juli 2018
Zum Umschlagbild: Zephir und Chloris, gemalt von Botticelli, bestaunen die Windenergieanlage des Graf-
Münster-Gymnasiums.
Alle Zeichnungen und Bilder dieses Manuskriptes, bei denen der Urheber nicht explizit erwähnt wird, wurden
selbst erstellt. Alle Beteiligten hatten die Möglichkeit, die Nennung ihres Namens bzw. die Darstellung ihres
Bildes abzulehnen. Sie wurden, falls möglich, per Mail entsprechend gefragt.
VS 3.01
Inhalt iii
Externe Partner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Danksagung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Projektteam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi
1. Vorstellung des Projektes . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
2. Windrotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. Turm mit Einbauten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
4. Metergenerator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
5. Praktischer Einsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
6. Gebrauchsmusterschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
7. Elektrische Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9. Alternative Nutzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
WindEnergieAnlage
iv Externe Partner
Graf-Münster-Gymnasium
Viele Personen und Firmen haben uns bei diesem Projekt unterstützt. Ohne sie wäre ein fertiges Produkt nicht
zustande gekommen. Folgende externe Partner sind besonders zu erwähnen.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
WindEnergieAnlage
Danksagung v
Graf-Münster-Gymnasium
Bedanken möchten wir uns bei den Schulleitungen, unter deren Führung die Windenergieanlage des Graf-
Münster-Gymnasiums entstanden ist. Die Schulleiter OStD Dr. Leibold und OStD Müller haben das Projekt im-
mer unterstützt. Besonders dem ehemaligen Schulleiter OStD Braun sind wir sehr zu Dank verpflichtet. Durch
seine Bemühungen wurde das Projekt angestoßen.
Dank gebührt auch dem Lions-Hilfswerk Bayreuth-Kulmbach, das durch seine finanzielle Unterstützung allen
Kursteilnehmern/innen ein „Technik-Praktikum für Gymnasien“ in der mechanischen und elektronischen Lehr-
werkstatt der Technischen Berufsbildung Bayreuth (TBB) ermöglicht hat.
Bei den in der TBB tätigen Ausbildungsmeistern Herrn Bauer, Herrn Bothner, Herrn Kaiser, Herrn Kunze und
Herrn Weintritt möchten wir uns bedanken. Ihnen ist es zuzuschreiben, dass der handwerkliche Bau der
Windkraftanlage von unseren Schülerinnen und Schülern erfolgreich umgesetzt werden konnte.
Bei der Erstellung eines Gebrauchsmusterschutzes haben uns die Herren Braun und Gassner der Firma licht-
line GmbH sehr unterstützt. Dafür möchten wir uns bedanken.
Das Logo der Windenergieanlage des Graf-Münster-Gymnasiums hat StRin Elisabeth Maier sehr passend ent-
worfen, vielen Dank dafür. Auch bei den vielen anderen unterstützenden Lehrern/innen unserer Schule möch-
ten wir uns bedanken.
Geholfen haben uns viele Firmen, wir haben viele offene Türen vorgefunden. Es ist bemerkenswert, wie
hilfsbereit Industrie und Handwerk zu interessierten Schülerinnen und Schülern eines Gymnasiums sind. Unser
Dank geht besonders an:
Firma Firma
elma GmbH Schlaeger M-Tech GmbH
Am Pfaffenfleck 16 Ritter-von-Eitzenberger-Str. 10
95448 Bayreuth 95448 Bayreuth
Firma Firma
GKN Walterscheid GmbH TBB - Technische Berufsbildung Bayreuth GmbH
Hauptstraße 150 Weiherstraße 5
53797 Lohmar 95448 Bayreuth
Firma Firma
lichtline GmbH GEBRÜDER WAASNER Elektrotechnische Fabrik GmbH
Dieselstraße 15 Bamberger Straße 85
95448 Bayreuth 91301 Forchheim
Firma
Metrik Sondermaschinenbau e. K. Firma
Theodor-Künneth-Str. 1 Weisser Spulenkörper GmbH & Co. KG
95473 Creußen Im Riegel 6
73450 Neresheim
Lions-Hilfswerk Bayreuth–Kulmbach e.V.
gemeinnütziger Verein, eingetragen im Firma
Vereinsregister ZAPF GmbH
Nürnberger Straße 38
95448 Bayreuth
Bayreuth, im Juli 2018
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
WindEnergieAnlage
vi Projektteam
Graf-Münster-Gymnasium
Die Arbeiten an diesem Projekt wurde von StD Hans-Georg Heublein geleitet und dokumentiert. Das Projekt-
team besteht aus:
P-Seminar Schuljahr 2010 - 2012
Formulierung der Projektidee und Bau der Rotoren Bauske Adrian
Bernhard Marc Dostert Tobias
Fischer Stefan Horn Sebastian
Hadinger Max Lier Adrian
Hofmann Christian Niebe Niklas
Kling Georg Parchent Peter
Lemke Mario Park Isaak
Pos Martin Schick Leon
Schmidt Simon Schröter Dominik
Seidel Leon
P-Seminar Schuljahr 2013 - 2015
Bau des Turmes und Lagerung der Rotoren Mechatronikkurs Schuljahr 2017/18
Amann Moritz Bauer Marcel
Basiul Karl Birke Nick
Jantos Marco Dressendörfer Adrian
Kellner Bastian Hedler Patrick
Kolb Lars Herzog Lars
Lochner Tobias Kaiser Anton
Peiffer Leo Manske Lukas
Schirbel Timo Max Steve
Turinsky Richard Zöller Dominik
Voigt Maximilian
Waller Julian
Walter Armin Mechatronikkurs Schuljahr 2018/19
Weihs Tobias nach Projektende (07.2018)
Westfechtel Simon Irmler Paula
Wolf Sandro Kogan David
Lebioda Max
März Moritz
P-Seminar Schuljahr 2015 - 2017 Meyer Natalie
Bau des Generators
Schuster Nico
Al-Motori Mohamad
Ambrosius Lars
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
WindEnergieAnlage
1. Vorstellung des Projektes 1
Graf-Münster-Gymnasium
Die Rahmendaten unseres Projektes werden im Folgenden genannt. Es wird kurz erzählt, warum wir uns mit
diesem Thema auseinandergesetzt haben und was unsere Ambitionen waren. Es wird gezeigt, dass es auch
an der Tradition unserer Schule lag, dass wir dieses praxisorientierte Projekt so erfolgreich durchführen konn-
ten. Es wird z. B. die physikalischen Ausstattung erwähnt, mit der sich aerodynamische Versuche durchführen
lassen. Das Roboter-Bau-Labor wird angesprochen, das uns beim Bau des Generators geholfen hat. Auf die
seit vielen Jahren bestehende Verbindung unserer Schule mit einer Mechatroniklehrwerkstatt wird einge-
gangen. Die dort erfahrene Unterstützung war essenziell für unser Projekt. Zum Abschluss werden Beispiele
gezeigt, wo unser Projekt auch in anderen Fächern unserer Schule als Anschauungsobjekt dienen kann.
Projektthema Bau einer Windenergieanlage zur Wandlung der Bewegungsenergie der Luft in
elektrische Energie
Schule Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
Klassenstufe 11, 12
Schulfach Physik
Projektdauer 2011 - 2018
Anzahl der Schüler 50
Betreuer StD Hans-Georg Heublein
Partner elma GmbH, GKN Walterscheid GmbH, lichtline GmbH, Metrik Sonderma-
schinenbau e. K., Lions-Hilfswerk Bayreuth–Kulmbach e.V., Schlaeger M-Tech
GmbH, TBB - Technische Berufsbildung Bayreuth GmbH, GEBRÜDER WAASNER
Elektrotechnische Fabrik GmbH, Weisser Spulenkörper GmbH & Co. KG, ZAPF
GmbH
Projektinhalt Eine Windenergieanlage wird von Schülerinnen und Schülern über mehreren
Schuljahre hinweg erstellt. Zunächst wird aus zwei 200-l-Ölfässern ein Savoni-
usrotor errichtet. Der Rotor hat eine Höhe von ca. 2 Metern.
Die nächste Schülergruppe stellt aus Kantholz (12 x 12 cm) einen Turm auf, in
dem sich der Windrotor dreht.
Im dritten Abschnitt wird von einer weiteren Schülergruppe ein Ein-Meter-
Generator für die Windenergieanlage gebaut. Da es keinen Generator der
notwendigen Bauart in der Preisklasse für Privatanwender gibt, wird er am
Graf-Münster-Gymnasium neu entworfen und gefertigt.
Eine Schülergruppe bemüht sich, für diese Neuentwicklung einen Gebrauchs-
musterschutz zu beantragen.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
2 1. Vorstellung des Projektes
Wie ist das Projekt, eine Windkraftanlage am Graf- baut werden können und so jedem billige elektrische
Münster-Gymnasium zu bauen, entstanden? Energie liefern.
Als der Windkraftboom zu Beginn dieses Jahrhun- Ohne die Begeisterung und Freude der Teilnehmer zu
derts in Oberfranken einsetzte, wurden auch viele sehr zu dämpfen, muss dabei jedoch auf das Kapitel 7
kritische Stimmen an dieser Art der Energieerzeu- hingewiesen werden. Die Physik widerlegt dort leider
gung in unserer Region laut. Grund genug, sich im zwingend, dass mit unserem oder vergleichbaren
März 2011 am Graf-Münster-Gymnasium mit diesem Geräten zur Windstromerzeugung die Energiewende
Thema in einem P-Seminar auseinanderzusetzen. Die zu erreichen ist.
Vor- und Nachteile dieser Technologie wurden von
Bürgern, Behörden und Interessenvertretern völlig
unterschiedlich beschrieben. Wir informierten uns
im Seminar in alle Richtungen und stießen auf viele Warum ist das Graf-Münster-Gymnasium genau das
unerwartete Zusammenhänge, Halbwahrheiten und passende Gymnasium für so ein Projekt?
offene Fragen. Auch Beschimpfungen blieben nicht Unsere Schule bietet für so ein Vorhaben sehr gute
aus, wenn man den wirtschaftlicher Gewinn einzel- Voraussetzungen. Sie ist in ihrer Physiksammlung gut
ner als das oberste Ziel des Vorgehens anzweifelte mit aerodynamischen Geräten ausgestattet. Bereits
und die Nachteile für die Allgemeinheit vor Ort nicht im Jahrgang 2005/07 hatte sich eine Facharbeit mit
verschwieg. Windenergie befasst.
Da unser P-Seminar im Fachbereich Physik angeboten
wurde, zogen wir uns schließlich auf die technischen
Gesichtspunkte der Windkraft zurück. Wir fanden
schnell heraus, dass es sich hier um eine Technik
handelt, die auf physikalischen Kenntnissen beruht,
die seit fast 100 Jahren als gesichert gelten. In Kapitel
7 dieses Arbeitspapieres werden diese angesprochen.
Dazu kam bei den Schülerinnen und Schülern sehr
schnell der Gedanke, diese Theorie praktisch an einer
kleinen Anlage auszuprobieren.
Können wir mit unseren Ideen die Welt retten?
Daran hat wohl keiner der Teilnehmer/innen des
Seminars ‚Windenergieanlage Graf-Münster-Gym-
nasium‘ gedacht. Wir sind jedoch ein Gymnasium Bild 1.1 Savoniusrotoren aus der Physiksammlung des GMG
und kein kommerzielles Unternehmen. Da darf man
vielleicht doch ein wenig träumen. Vielleicht kann
man etwas Neues zusammen erschaffen. Das Ziel Im Bild 1.1 sind zwei Savoniusrotoren abgebildet, die
unserer Schule ist nicht nur Wissensvermittlung. Es aus dieser Facharbeit in den Fundus der Schule über-
soll auch die Kreativität unserer Schülerinnen und gegangen sind.
Schüler gefördert werden und ihnen Raum gegeben
Eindrucksvoll ist die Windmaschine des Graf-Münster-
werden, innovative Ideen und Träume zu formulieren
Gymnasiums, mit der sich auch „stürmischer Wind“
und zu verwirklichen. Dass bei genauerem Hinse-
am Labortisch problemlos erzeugen lässt.
hen mancher Traum auf der Strecke bleibt, mussten
auch wir hinnehmen. Die Vorüberlegungen, die am Gemessen wurden dauerhafte Windgeschwindigkei-
Anfang unseres Seminars standen, führen zu einem ten bis zu 16 m/s. Das leistungsstarke Axialgebläse
anspruchsvollen Ziel, für das sich alle begeisterten. Es wurde zu Beginn des letzten Jahrhunderts angeschafft
sollte ein Volkswindrad gebaut werden. Die Maschine und hat die Zeit nach dem 2. Weltkrieg, in der die
sollte aus einfachen, wiederverwertbaren Materialien Alliierten ein Verbot zur Entwicklung und zum Bau
von jedermann ohne großen Maschinenpark nachge- bestimmter Flugzeuge verhängt hatten, gut überstan-
den.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
1. Vorstellung des Projektes 3
die Jahrtausendwende sprang unsere Schule auf den
Zug aus den USA auf, autonome Roboter zu bauen. Es
entstand das Roboter-Bau-Labor, mit eigenem Zim-
mer und umfangreicher Ausstattung. Unsere Schüler
erzielten mit den dort entwickelten autonomen Robo-
tern große Erfolge im RoboCup Junior. Sie wurden mit
ihren Fußballrobotern z. B. 2002 in Fukuoka (Japan)
und 2005 in Osaka (Japan) Vizeweltmeister. Es bietet
sich an, die von uns mitentwickelten Mikrocontroller-
platinen in unserem Windenergieprojekt zur Regelung
des Generators einzusetzen.
Die entscheidende Rolle der Technischen Berufsbil-
Bild 1.2 Die Leistungskurve eines Savoniusrotors wird mit der GMG- dung Bayreuth
Windmaschine aufgenommen.
Das Graf-Münster-Gymnasium hat seit Jahrzehnten
eine gut funktionierende Verbindung zu einer mecha-
Im Bild 1.3 ist ein Messaufbau mit der Windmaschine nischen Ausbildungswerkstatt. Zunächst konnten wir
und einem Savoniusrotor zu sehen. interessierte Schülerinnen und Schüler in die Lehr-
werkstatt der Firma Burkhardt schicken. Jetzt haben
wir jedes Jahr die Möglichkeit , dass ein Kurs die Tech-
nische Berufsbildung Bayreuth besucht, die Teil der
Wenn sich unser Windrotor dreht, fließt noch kein Firma Schläger in Bindlach ist. Finanziert wird diese
Strom. externe Ausbildung durch den Lions-Club Bayreuth-
Wir brauchen einen Generator. Wie der funktioniert, Kulmbach.
kennt man noch aus dem Physikunterricht oder man Bei diesem gymnasialen Praktikum werden folgende
holt sich mit Google das seitdem verlorenen Wissen Themenbereiche von erfahrenen Ausbildern behan-
wieder zurück. Wie aber regelt man so einen Gene- delt: Einführung in die Metallbearbeitung, Hand-
rator, dass er dem Wind immer genau die maximal fertigkeiten, Konventionelle Fräs- und Drehtechnik,
mögliche Energie entnimmt? Seit Mitte der 80er CNC-Technik, Montagetechnik, Einführung in die
Jahre werden an unserer Schule Kurse nach dem Pneumatik, Einführung in die Hydraulik, elektrische
Lehrplan zum Grundkurs Elektronik vom 19. Januar Steuerungstechnik und speicherprogrammierbare
1982 Nr. II/7-8/83 angeboten. Damals gab es in der Steuerungstechnik.
Physiksammlung eine Werkstatt mit kleiner Dreh- Nur durch diese Zusammenarbeit war es möglich, ein
bank und umfangreicher Werkzeugausstattung. Dort Projekt wie das der Windenergieanlage des Graf-
wurden in diesen Kursen Elektronikplatinen geätzt Münster-Gymnasiums zu wagen. Ein Arbeitsplan wie
und gebohrt. Der Lehrplan war so allgemein formu- er zur Arbeitsvorbereitung benutzt wird, ist in Bild 1.3
liert, dass auch Mikrocontroller besprochen werden abgedruckt.
konnten. Programmiert wurden sie in Assembler. Um
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
4 1. Vorstellung des Projektes
Bild 1.3 Bevor die Schüler mit der Arbeit beginnen, wird für jedes Teil ein Arbeitsplan erstellt.
Niemand interessiert sich für technische Mumien. der Windkraftanlage später auch noch fertig werden
Wie sich herausstellte, war es viel interessanter, ein wird. Dabei hat sich in den nächsten Schuljahren
neues Gerät zu bauen, als fertige Physikgeräte zu- gezeigt, dass auch im digitalen Zeitalter bei Schülerin-
sammenzustellen. Die Kursteilnehmer fanden sehr nen und Schülern ein großes Interesse an mechani-
viele Literatur über selbst gebaute Windräder. Eine schen Fertigkeiten besteht. Das Poster in Bild 1.4 zeigt
praxistaugliche Vorlage für unser Projekt hat z. B. unsere Planung am Anfang des Projekts. Es wird darin
Heinz Schulz in [10] Der Savonius-Rotor (2009) ausge- angedacht, die komplette Anlage in drei Schritte zu
arbeitet. verwirklichen.
So begannen wir recht blauäugig, aus Ölfässern einen
Rotor zu bauen. Wir waren uns sicher, dass der Rest
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth1. Vorstellung des Projektes 5
Bild 1.4 Das von Teilnehmern zu Anfang des Projektes entworfene Poster zur Vorstellung des Projektes ‚Windenergieanlage Graf-Münster-Gymna-
sium‘.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth6 1. Vorstellung des Projektes
Aus welchen Komponenten setzt sich unsere
Windenergieanlage zusammen?
Ein Rotor und ein Generator ergeben noch keine
Maschine, die aus Wind Strom erzeugt. Nach einigen
Fehlversuchen hat sich folgendes Konzept, das sich
aus austauschbaren Komponenten zusammensetzt,
herausgebildet. In Bild 1.5 erkennt man den Rotor,
das Generatorgehäuse, das auch die Elektrik beher-
bergt, und die Bremse.
Mit einer gemeinsamen Welle sind der Savoniusrotor,
der Metergenerator und die Bremse miteinander
getriebelos, formschlüssig verbunden. Diese Anord-
nung wird durch einen Holzturm, der auf Betonqua-
dern befestigt ist, geführt. Zwischen den Bauteilen
Rotor/Generator und Generator/Bremse ist die Welle
jeweils als Kardanwelle mit zwei Kardangelenken und
einem zusätzlichen Schubgelenk zum Längsausgleich
ausgeführt.
Der Savoniusrotor lässt sich nicht „aus dem Wind
nehmen“. Um ihn wirkungsvoll herunterbremsen und
dabei seine beträchtliche Rotationsenergie aufneh- Bild 1.5 Rotor, Metergenerator und Bremse sind verbunden durch eine
men zu können, haben wir als Bremse eine Hinter- Welle übereinander angeordnet.
radtrommelbremse eines Pkws (VW Golf) eingesetzt.
Sie wird durch eine Fliehkraftregelung oder per Hand
Was wird aus der Anlage, wenn das Projekt abge-
ausgelöst. Damit kommt die Maschine von jedem
schlossen ist?
Betriebszustand aus sicher zum Stehen und kann kei-
nen Schaden anrichten. Da bewegliche Teile vorhan- Die Anlage steht bis heute (Juli 2018) neben dem
den sind, die auch bei geringer Windgeschwindigkeit Schulgarten auf dem Schulgelände des Graf-Münster
eine Gefahr darstellen könnten, wird die Anlage im Gymnasiums (Bild 1.6). Umgeben von Häusern ist dort
Gelände eingezäunt. wenig Wind für den Betrieb vorhanden. Sie soll daher
auf einen windhöffigen Platz außerhalb der Schule
Die Elektrik ist im Generatorgehäuse unterhalb des
umgestellt werden. In Kapitel 5 wird darauf genauer
Metergenerators verbaut. Hier befinden sich auch die
eingegangen. Auch an einem günstigeren Ort wird
Batterien zur Eigenversorgung bei schwachem Wind
sich kein kommerzieller Erfolg der Anlage einstellen.
oder Windstille.
Die Physik, die in Kapitel 7 angesprochen wird, gibt
Zur Wartung kann der Savoniusrotor an einer zusätz- dazu eine eindeutige Antwort.
lich verschraubten Brücke aufgehängt werden und
Die Anlage soll auf der Webseite der Schule präsent
dann von einer Person ein- und ausgebaut werden.
bleiben. Die gemessenen Daten sollen im Internet
Das Generatorgehäuse kann mit einem Frontlader mit
zwischengespeichert und auf der Projektseite der
Palettengabel aus dem Turm gehoben werden.
Schulhomepage gezeigt werden.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth1. Vorstellung des Projektes 7
Hat die Windenergieanlage des Graf-Münster-Gym- Einsatz im Fach Wirtschaft und Recht: Auch wirt-
nasiums auch nach Abschluss des aktuellen Projek- schaftliche und rechtliche Gesichtspunkte müssen
tes einen Gebrauchswert für unsere Schule? berücksichtigt werden, wenn man mit einer Wind-
Die Anlage kann auch über die reine Projektdauer energieanlage erfolgreich sein will. Einige Themen
hinaus als Anschauungsobjekt und zur Motivation in aus dem Bereich Wirtschaft, die praktisch anhand der
vielen Fachbereichen des Gymnasiums dienen. Sie Planung und des Betriebs unserer Anlage besprochen
wird nach dem Projektende weiter betrieben und alle werden können, lauten: Wahl der Rechtsform, Stand-
Unterlagen sind weiter verfügbar. Eine Verwendung ortwahl, Kostenfunktionen, Berechnung des Break-
in den jeweiligen Jahrgangsstufen ist abhängig von even-Points, Wirtschaftliche Kennziffern (Eigenkapital-
der Schulform und dem gültigen Lehrplan, der einem rentabilität, Leverage-Effekt), Bilanzierung usw.
ständigem Wandel unterliegt. Daher erfolgt diese Zu- Auch im Bereich Recht kann das GMG-Windrad als
ordnung in der folgenden Aufstellung nur beispielhaft. praktisches Bespiel dienen. Dies ist sowohl im öffent-
lichen Recht, im Baurecht, Patentrecht oder Ge-
brauchsmusterschutz als auch beim Privatrecht beim
Einsatz im Fach Mathematik: Die jüngeren Schüle-
Abschluss von Verträgen möglich.
rinnen und Schüler aus Bild 1.6 können z.B. in Mathe-
matik Volumenberechnungen an der Anlage praktisch
durchführen. In der Mittelstufe bietet unser Wind- Einsatz im Fach Geographie: Die Windenergieanlage
kraftwerk ein anschauliches Beispiel zum Pythagoras. lässt sich als Anschauungsobjekt einsetzen, wenn die
In der Oberstufe ist die Herleitung des Betzschen Wandlung des ländlichen Raumes behandelt wird.
Gesetzes ein verblüffendes Beispiel zur Berechnung Auch geographische Arbeitstechniken und Arbeitswei-
eines lokalen Maximums. sen lassen sich im Zusammenhang mit der Nutzung
des Windes vermitteln. Daten, die diese Anlage sam-
melt, sind für mikrometeorologische Untersuchungen
Einsatz im Fach Physik: Hier ist die Maschine ein
interessant.
ideales Untersuchungsobjekt für viele Stoffgebiete.
Die kinetische und elektrische Energie bzw. Leistung In der Oberstufe wird dann im Detail über den
werden sichtbar. Die Umwandlung kinetischer Ener- Ressourcenschutz, über die Nutzung von Rohstoffen
gie in elektrische Energie und deren Wirkungsgrad und über die Umweltrisiken, die der Mensch eingeht,
wird veranschaulicht. Induktion im Generator wie gesprochen. Auch hier ist die Windenergieanlage
bei unserer Windenergieanlage werden in der Physik des Graf-Münster-Gymnasiums einsetzbar, nicht nur
wiederholt behandelt. Einblicke in die Energieversor- als ein Beispiel für positives Bemühen, sondern auch
gung und in die Energietechnik werden durch unsere dafür, dass der Versuch einer konkreten Umsetzung
Anlage unterstützt. oft an physikalische Grenzen stößt.
Einsatz im Fach Technik: Technik ist in der Mittel- und
Oberstufe des Naturwissenschaftlich-technologisches Dieses Projekt soll auch eine Anregung für ähnliche
Gymnasium (NTG) in Bayern (noch) kein Pflicht- oder Projekte sein.
Wahlpflichtfach der Stundentafel. Weder Metall-, Die Windenergieanlage des Graf-Münster-Gymnasi-
Holz- oder Kunststoffbearbeitung noch Elektrotechnik ums ist aus Standardbausteinen zusammengesetzt.
und Elektronik werden behandelt. An unserer Schule Der Bau der Anlage ist mit den richtigen Partnern
werden diese Bereiche in Wahlkursen der Mittelstufe als Schulprojekt immer wieder mit einem niedrigen
oder im Profilbereich der Oberstufe angeboten. Hier finanziellen Rahmen möglich. Vielleicht entsteht eine
ist unsere Windenergieanlage eine ideales Anschau- nächste Anlage zur Umsetzung erneuerbarer Energien
ungs- und Versuchsobjekt. Alle genannten techni- an unserer Schule in verbesserter und weiterentwi-
schen Disziplinen kommen hier zur Anwendung. Es ckelter Form.
dauert natürlich mehrere Schuljahre bis verschiedene
Schülergruppen aus diesen Kursen nach und nach
ein größeres Projekt wie unsere Windenergieanlage
komplett selbst erstellen können.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth8 1. Vorstellung des Projektes
Bild 1.6 Wie funktioniert das eigentlich in Wirklichkeit mit dem Strom aus Wind? Das Bild entstand am Schulfest 2018. Der Meterge-
nerator ist provisorisch mit gelochten Winkeleisen fixiert. Die Bremse und der Bereich für die Elektrik und Elektronik fehlen noch.
Graf-Münster-Gymnasium BayreuthWindEnergieAnlage
2. Windrotor 9
Graf-Münster-Gymnasium
Die Effektivität des Savoniusrotors bei der Energieumsetzung wird mit der anderer Windrotoren verglichen.
Der Aufbau des Savoniusrotors wird beschrieben. Danach wird dokumentiert, wie Schüler des GMG den Rotor
gebaut haben.
Wie vergleicht man Windrotoren?
Wer schon einmal mit einem Boot oder auf einem
Surfbrett die Windenergie zur Fortbewegung genutzt
hat, weiß, dass man höchstens mit der Geschwin-
digkeit des Windes durchs Wasser gleitet, wenn
man „vor dem Wind segelt“, also in Windrichtung.
Man hält dazu z. B. auf dem Surfbrett das Segel im
90°-Winkel zum Brett. Dabei sieht man nicht wohin
man fährt, weil man ja das Segel vor Augen hat. Wenn
man das Segel zum Brett heran dreht, segelt man „am
Wind“. Man bewegt sich dann schneller als der Wind.
Beim Vorwindsegeln nutzt man den Luftwiderstand
des Segels. Segelt man am Wind, gewinnt man durch
den zusätzlichen Auftrieb des Segels, an dem die Luft
vorbei strömt, an Fahrt. Das sind zwei physikalisch
unterschiedliche Methoden, dem Wind seine Energie Bild 2.1 Zusammenhang zwischen Schnelllaufzahl und Leistungsbeiwert
nach [07] Erich Hau. Windkraftanlagen – Grundlagen, Technik, Einsatz,
zu entnehmen. Wirtschaftlichkeit. 2014. + gibt die Schnelllaufzahl mit dem maximalen
Windenergieanlagen unterscheidet man durch diese Leistungsbeiwert an.
beiden Arten der Energieentnahme. Der Savonius-
rotor ist ein Beispiel für einen Widerstandsläufer. Wir sehen im Bild 2.1, dass Auftriebsläufer wesentlich
Bei ihm bewegen sich die äußeren Enden des Rotors effektiver sind als Widerstandsläufer. Je größer die
höchstens mit der Geschwindigkeit des Windes oder Flügelzahl, umso besser wird die Windenergie aus
ein wenig schneller. Er steht im Bild 2.1 links unten. dem Wind, der die Rotorfläche durchströmt, abge-
Zum Anderen gibt die Auftriebsläufer. Sie stehen in erntet. Je geringer die Flügelzahl ist, umso schneller
2.1 rechts oben. Das Verhältnis der Geschwindigkeit müssen die Flügel die Rotorfläche überstreichen,
der Flügelspitzen mit der Geschwindigkeit des Win- um effektiv zu sein. Der Leistungszuwachs zwischen
des heißt Schnelllaufzahl λ des Rotors. Wenn sich die einem 3-Blatt-Rotor zu einem 4-Blatt-Rotror ist je-
Blattspitzen des Rotors doppelt so schnell bewegen doch gering. Die höheren Kosten werden bei großen
wie der Wind, bedeutet das λ = 2. Windrädern dadurch nicht mehr hereingeholt. Daher
Erich Hau hat in seinem Buch [07] Windkraftanlagen – haben sich 3-Blatt-Rotoren durchgesetzt. Verwendet
Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit (2014) man sehr viele Blätter wie bei der Amerikanischen
die Effektivität von Rotoren abhängig von der Schnell- Windturbine, dann behindern sich die Strömungen
laufzahl beschrieben (Bild 2.1). Er hat die Ausführun- um die Flügel gegenseitig und der Wirkungsgrad sinkt
gen von Peter Lissaman und Robert Wilson erweitert, stark ab. Warum müssen sich kleine Windräder viel
die diese in ihrem Buch [09] Applied Aerodynamics schneller drehen als große? Die Schnelllaufzahl wird
of Power Wind Machines (1974) veröffentlicht ha- an den Flügelspitzen gemessen. Ist der Rotordurch-
ben. Dabei ist cp der Leistungsbeiwert des Rotors. Er messer klein, erreicht man die für eine gute Energie-
gibt den Teil an Energie an, der von der Anlage aus entnahme nötige Geschwindigkeit durch eine höhere
dem Wind entnommen werden kann. Die kinetische Drehzahl.
Energie eines Windstroms und der maximal mögliche
Leistungsbeiwert werden in Kapitel 7 besprochen. Je
größer der Leistungsbeiwert, umso effektiver ist die
Anlage.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth10 2. Windrotor
Ben F. Blackwell, Robert E. Sheldahl und Louis V. Feltz Wir sehen, dass unser Rotor nach dieser Aufstellung
haben in [02] Wind Tunnel Performance Data for vielleicht 22 % der Energie abgibt, die maximal mög-
Two- and Three-Bucket Savonius Rotors (1977) die lich dem Wind entnommen werden kann, der durch
Ergebnisse von Messungen in einem Windkanal veröf- seine Flügelfläche strömt. Die maximal mögliche
fentlicht. Dabei wurde auch ein Savoniusrotor getes- 16
Energie beträgt nach dem Betzschen Gesetz 27 ̶ ̶ ̶ der
tet, der wie unserer Rotor aus halbierten Ölfässern Bewegungsenergie des Windes. Unser Rotor gibt also
gebaut ist. Dort heißt es auf der Seite 32: bestimmt weniger als 13 % der Bewegungsenergie
A very simple means of fabricating a Savonius rotor 16
des Windes ab. Die Zahl 27̶ ̶ ̶ wird in Kapitel 7 erklärt.
is to cut an oil drum in half, invert one half, and weld
Dabei liegt die Schnelllaufzahl optimaler Leistung λopt
the two pieces together. For this type of configuration
zwischen 0,7 und 1,2
where the bucket size is fixed, it would be desirable to
know what gap width will produce maximum power, P
= Q . Ω, and torque, Q.
In Bild 2.2 ist der normierte Leistungsbeiwert cP* in Warum haben wir uns trotzdem so entschieden?
Abhängigkeit zur Schnelllaufzahl λ angetragen. Dabei Unser Team war sich einig, für den Bau der Anlage
R.Ω nur wiederverwertbare Materialien zu verwenden.
ist X∞ = ̶ ̶ ̶ ̶ ̶ ̶ = λ (V∞ ist die ‚freestream velocity‘).
V∞ Flügel aus glasfaserverstärktem Kunstharz scheiden
Es werden vier Messreihen dargestellt. Sie unterschei-
den sich im Spaltabstand s/d zwischen den Halbscha- aus. Ideal ist es, Schrott zu recyceln. Ein Savoniusrotor
len. aus gebrauchten Ölfässern aus Eisenblech erfüllt alle
diese Anforderungen (Bild 2.3).
Ganz am Anfang hatten wir noch die Vorstellung, ein
‚Volkswindrad‘ bauen zu können, das sich jeder aus
einfach zu besorgenden Materialien selbst zusam-
menschrauben kann. Ölfässer und ein wenig Holz
gibt es überall. Jeder kann dann seinen Strom selbst
erzeugen. Die Ernüchterung kam, als wir uns die Inhal-
te von Kapitel 7 erarbeiteten.
Der Savoniusrotor hat einige technische Vorteile. Er
dreht ungefährlich langsam und hat ein relativ hohes
Drehmoment. Wegen der großen Rotorfläche beginnt
er sich schon bei geringen Windgeschwindigkeiten
ab etwa 2 m/s zu drehen. Entscheidend war für uns
auch, dass der Rotor von allen Seiten angeblasen
werden kann und nicht wie ein Blattrotor dem Wind
nachgeführt werden muss. Auch war uns das Pitchen
der Rotorblättern mechanisch und regelungstechnisch
Bild 2.2 Normalized turbinepower for 1-metre, two-bucket Savonius
rotors as a function of normalized rotational speed ... Die Zeichnung zu anspruchsvoll. Unser Rotor ist einfach zu bauen
ist entnommen aus [02] Blackwell Ben F., Sheldahl Robert E., Feltz. und technisch robust.
Louis V.: Wind Tunnel Performance Data for Two- and Three-Bucket
Savonius Rotors. 1977
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth2. Windrotor 11
Bild 2.3 Aufbau des Rotors
Welche Probleme müssen wir beim Savoniusrotor dreht er sich gerade 60 Mal in der Minute. Ein Getrie-
in Kauf nehmen? be würde die sehr geringe Windleistung zum großen
Der Rotor ist durch seine Formgebung nicht zu steu- Teil aufbrauchen und kommt daher nicht in Frage.
ern. Er bietet auch bei Sturm dem Wind immer die Mit dem richtigen Generator lässt sich vielleicht doch
gleiche Fläche und kann daher nicht aus dem Wind etwas machen. Unsere Lösung wird im Kapitel 4 auf-
genommen werden. Unsere Windanlage muss daher gezeigt.
eine sehr leistungsfähige Bremse besitzen, die den Bei unserer Montage des Savoniusrotors lassen sich
Rotor jederzeit zum Stehen bringt. In Kapitel 3 wird statische und dynamische Unwucht nicht vermeiden.
unsere Lösung vorgestellt. Es ist nicht möglich, me- Die statische Unwucht lässt sich mit Mitteln, die uns
chanisch die Drehzahl bei gegebenem Wind so einzu- zur Verfügung stehen, minimieren, die dynamische
stellen, dass dem Wind optimal Leistung entnommen nicht. Wir können messen, wann unsere Windkraftan-
wird. Wie unsere Lösung aussieht, wird in Kapitel 4 lage zu schwingen beginnt und mit unserer Regelung,
beschrieben. die in Kapitel 4 beschrieben wird, darauf reagieren.
Wegen der geringen Drehzahl ist der Savoniusrotor
eigentlich zur Stromerzeugung schlecht geeignet, da Wie ist unser Savoniusrotor aufgebaut?
sich handelsübliche Generatoren mit einigen tausend Im Bild 2.3 erkennt man die senkrechte Welle, an der
Umdrehungen in der Minute drehen. Unser Rotor drei Teller mit dem Radius 0,5 m waagerecht befes-
besitzt einen Radius von einem halben Meter. Bei ei- tigt sind. Zwischen den runden Plattformen sind vier
ner Windgeschwindigkeit von 3,14 m/s und bei λ = 1
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth12 2. Windrotor
Schalen eingebaut. Bei uns ist die Welle ein nahtloses
Eisenrohr. Die drei Scheiben werden aus wasserfes-
ten Siebdruckplatten ausgesägt. Indem wir zwei 200
Liter Ölfässer halbieren, erhalten wir die Schalen. Der
Formschluss zwischen den Schalen und der Welle
wird durch eine Stützkonstruktion (Bild 2.10) erreicht.
Wie wird der Rotor von Schülern des Graf-Münster-
Gymnasiums gebaut?
Das Eisenrohr und die Flansche, auf denen die Holz-
teller aufliegen, wurden uns von der Lehrwerkstatt
der Firma Burkhardt kostenlos zur Verfügung gestellt.
Mit dieser Lehrwerkstatt und mit der Nachfolgefirma,
der Technischen Berufsbildung Bayreuth, arbeitet Bild 2.5 Das Fass wird auseinandergeschnitten.
unsere Schule seit dem Jahre 2001 zusammen. Jedes
Jahr macht dort mindestens eine Schülergruppe ein
technisches, gymnasiales Praktikum. Ohne die Hilfe
durch diese Profis wäre dieses Projekt nicht zustande
gekommen.
Es werden zwei Ölfässer besorgt. Sie werden gereinigt
und halbiert (Bild 2.4, Bild 2.5 und Bild 2.6).
Bild 2.6 Die Rotorschalen sind fertig.
Wasserfeste Siebdruckplatten werden zugesägt und
die halbierten Fässer darauf befestigt (Bild 2.7 und
Bild 2.8).
Bild 2.4 Das Ölfass wird gereinigt.
Bild 2.7 Die Scheiben werden ausgesägt.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth2. Windrotor 13
Bild 2.8 Der Rotor wird montiert. Bild 2.11 Grundieren
Alle Teile werden vor Korrosion geschützt (Bild 2.9,
Bild 2.10 und Bild 2.11). In Bild 2.10 kann man die
Stützkonstruktion erkennen, mit der die Holzteller
und das zentrale Eisenrohr verbunden werden.
Bild 2.9 Abschleifen der Fasshälften
Bild 2.10 Grundieren der Stützkonstruktion der Teller
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth14 Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth
WindEnergieAnlage
3. Turm mit Einbauten 15
Graf-Münster-Gymnasium
Das Gestell, das den Savoniusrotor aus Kapitel 2 trägt, wird beschrieben. Die Lagerung des Rotors in der Kon-
struktion wird vorgestellt. Die Notabschaltung und der Technikschrank werden angesprochen. Am Ende sieht
man, wie Schüler des Graf-Münster-Gymnasiums den Turm zusammenbauen.
Wie kommt unser Savoniusrotor in den Wind? Wegen der Stabilität werden Längsstützen, wie in Bild
Wir benötigen einen H-Rahmen, wie in Bild 3.1 3.2 zu sehen, eingefügt. Um die Konstruktion auch
gezeigt. Die Welle des Rotors wird durch die zwei zur Seite zu stabilisieren, wird die Balkenlage ver-
Längsriegel geführt. Überall werden wasserfest ver- größert und Querstützen eingebaut. Die Anordnung
leimte 12 x 12 cm Leimbinder verwendet. erkennt man in Bild 3.3. Zimmerleute sprechen von
zwei Böcken, deren Giebelsäulen jeweils nach oben
herausgeführt sind. Zwischen den Böcken, die zur
Seite abgestützt sind, ist der Savoniusrotor an zwei
Längsriegeln gelagert.
Bild 3.1 Der Rahmen des Turms
Bild 3.3 Der Turm aus einem Rahmen, mit
Längs- und Querstützen stabilisiert
Wie sieht die gesamte Windenergieanlage des Graf-
Münster-Gymnasiums aus?
Unsere Windanlage soll leicht umgesetzt werden
können. Wir haben uns daher entschieden keine
Erdfundamente zu verwenden. Als Fundamente die-
nen vier Betonwürfel, die nur auf ein Planum gestellt
werden. Die Firma Zapf hat uns die Betonwürfel mit
den nötigen Halfenschienen kostenlos gegossen. Mit
diesen Betonwürfeln, die zusammen mehr als eine
Tonne Masse besitzen, erreichen wir die nötige Stand-
festigkeit der Konstruktion. Die fertige Anordnung ist
in Bild 3.4 skizziert.
Bild 3.2 Der Rahmen des Turms mit
Längsstützen
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth16 3. Turm mit Einbauten
Bild 3.4 Ansicht der Windkraftanlage des Graf-Münster-
Gymnasiums. Die Verkleidung des Maschinenhauses ist ent-
fernt, um die Trommelbremse (rot) und den Metergenerator
(schwarz) sichtbar zu machen.
Bild 3.5 Untere und obere Lagerung des Rotors im Turm
Wie wird der Windrotor im Turm gelagert?
Bei der Lagerung des Rotors hat uns die Technische
Berufsbildung Bayreuth (TBB) beraten. Das notwendi- Bei unserer Anlage bewegen sich schwere Teile.
ge Material wurde von ihr zur Verfügung gestellt und Wie können wir diese bewegten Massen sicher
zusammen mit den Schülern des Graf-Münster-Gym- beherrschen?
nasiums in ihren Räumen bearbeitet. So kam eine
Die Anlage muss so ausgelegt sein, dass sie jederzeit
professionelle, dauerhafte und stabile Lösung heraus.
bei jeder Windgeschwindigkeit zum Stehen gebracht
Im Bild 3.5 ist links die untere und rechts die obere
werden kann. Unser Savoniusrotor kann seine Wind-
Lagerung der Rotorwelle zu sehen. Im linken Bild ist
flügel nicht „aus dem Wind nehmen“. Durch seine
das sechszähnige Wellenende angedeutet. Hier wird
große Masse gewinnt er daher bei großen Windge-
eine Gelenkwelle aufgesteckt, womit dann Windrotor,
schwindigkeiten eine enorme Rotationsenergie. Zu-
Generator und Trommelbremse getriebelos verbun-
nächst war geplant, die Anlage mit der Scheibenbrem-
den werden. Die Gelenkwelle wurde uns von der
se des Rotors des Generators herunter zu bremsen.
Firma Walterscheid kostenlos überlassen.
Es lässt sich leicht berechnen, dass diese Bremse nicht
Beim Entwurf ging auch die Überlegung ein, wie der in der Lage ist, die Energie des Rotors aufzunehmen.
Rotor von einem Mann zur Wartung ein- und ausge- Sie wird heiß und verliert ihre Stabilität. Wir haben
baut werden kann. Es wurde eine Halterung entwi- uns entschlossen, die hintere Trommelbremse eines
ckelt, mit der sich der Rotor von einer Person abseilen Golf-Pkws einzusetzen. Im Bild 3.4 ist sie rot unter
und wieder hochziehen lässt. dem Generatorhaus zu erkennen. Die Trommel ist
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth3. Turm mit Einbauten 17
formschlüssig mit dem Rotor und dem Metergene-
rator verbunden. Die Bremsankerplatte ist mit dem
Turm verschraubt. An der Trommelbremse befindet
sich ein Fliehkraftschalter. Übersteigt der Rotor eine
gewisse Drehzahl, entriegelt der Fliehkraftschalter
einen Hebel, der vorher eine Bleimasse abgestützt
hat. Diese Masse zieht das Handbremsseil der Trom-
melbremse. Der Rotor kommst so sicher zum Stehen.
Diese Notabschaltung kann auch per Hand betätigt
werden. Damit sich das Windrad wieder bewegt,
muss die Bremse von Hand gelöst werden.
Wie bauen wir die Notabschaltung?
Die Vorrichtung wurde in der Technischen Berufsbil-
dung Bayreuth (TBB) von Schülern/innen gefertigt.
Bild 3.6 zeigt eine Übersichtsskizze. Auf der Brems- Bild 3.7 Der Technikschrank ist am Fuß der Anlage verbaut. Oben er-
trommel ist ein Schalthebel befestigt. Dreht sich die kennt man den Metergenerator, darunter ist Platz für die Elektrik und
Trommel zu schnell, schwenkt er aus und dreht einen die Bremse des Windrades.
Umlenkhebel. Damit wird der Bremshebel entriegelt
und die Trommelbremse betätigt. Die Bleche, mit denen das Gerippe verschlagen wird,
stellte uns die Firma Zapf kostenlos zur Verfügung. Sie
stammen aus neuen Garagentoren, die nicht mehr
benötigt wurden.
Warum haben wir gerade diese Maße für den Turm
gewählt?
Wie im Bild 3.15 zu sehen ist, lässt sich die komplette
Windenergieanlage betriebsfähig auf einem kleinen
Pkw-Anhänger transportieren. Wir wollten zu Beginn
Bild 3.6 Draufsicht des Fliehkraftschalters.
des Projektes nicht nur die Anlage bauen, sondern sie
auch noch unter verschiedenen Windstärken testen.
Da wir auf keinen Windkanal Zugriff haben, wollten
wir die Anlage mit einem Pkw mit konstanter Ge-
Wie schützen wir den Generator und die Elektrik schwindigkeit ziehen. Wir hätten dann über längere
vor der Witterung? Zeit eine definierte Windgeschwindigkeit und könnten
Beim Umbau der Schule wurden Kleiderschränke ent- unsere Messungen durchführen. Aus Zeitgründen
fernt, die in den Gängen in Wandnischen eingebau- mussten wir diesen Teil unseres Projektes streichen.
ten waren. Die dabei frei werdenden Vierkantrohre
werden zu dem in Bild 3.7 abgebildeten Schrank ver-
schweißt. Im oberen Teil findet das Generatorgehäuse
Platz, darunter die Elektrik der Windenergieanlage. Impressionen vom Bau des Turms
Die Hölzer für den Turm werden von den Schülern
des Graf-Münster-Gymnasiums zusammengefügt und
verschraubt. Die Beschläge werden angebracht. (Bild
3.8 bis Bild 3.12).
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth18 3. Turm mit Einbauten
Bild 3.8 Werkzeuge
Bild 3.10 Ausstemmen am Turm
Bild 3.9 Sägen am Turm
Bild 3.11 Bohren am Turm
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth3. Turm mit Einbauten 19
Bild 3.12 Anbringen der Beschläge
Das Aufstellen des Turms verlangt Kraft und massives Werkzeug (Bild 3.13, Bild 3.14).
Bild 3.13 Aufstellen des Turms
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth20 3. Turm mit Einbauten
Bild 3.14 Der Turm steht.
Die Windenergieanlage des Graf-Münster-Gymnasiums wurde 2014 zum Schulfest im Rohbauzustand gezeigt.
In Bild 3.15 sieht man sie, wie sie damals auf einen Pkw-Anhänger montiert war.
Bild 3.15 Ansicht der Windkraftanlage des Graf-Münster-Gymnasiums am
Schulfest 2014
Graf-Münster-Gymnasium BayreuthWindEnergieAnlage
4. Metergenerator 21
Graf-Münster-Gymnasium
Es wird die Funktion eines Generators vorgestellt und die Frage nach der Eignung für unser Projekt be-
antwortet. Dann wird auf die notwendigen Anpassungen eingegangen. Wir unterteilen unseren Meterge-
nerator in die Baugruppen Stator, Rotor, Lagerung und Regelung. Die Überlegungen und Pläne zu diesen
Baugruppen und deren Verwirklichung durch Schülerinnen und Schüler des Graf-Münster-Gymnasiums
werden beschrieben.
Funktion Wir sprechen von einem sich drehenden Läufer
(Rotor) und einem fest stehendem Ständer (Stator).
Wie liefert ein Generator überhaupt Strom? Im Bild 4.1 sind drei Magnete mit je einem Polpaar
bestehend aus einem Nord- und einem Südpol ver-
In einem Generator wird das physikalische Prinzip der
baut. Im Bild 4.2 ist die Anzahl der Magnete auf dem
Induktion technisch zur Stromerzeugung eingesetzt.
Rotor wesentlich größer. Es wird angedeutet, wie
Vielleicht ist die Induktion aus dem Physikunterricht
sich jeweils zwei Spulen des Stators in Reihe schalten
noch in Erinnerung.
lassen.
Ändert sich in einer Spule ein Magnetfeld, so
entsteht an den Anschlüssen der Spule eine elek-
trische Spannung. Je schneller die Magnetfeldän-
derung pro Sekunde ist, umso größer ist die Span-
nung.
Das Magnetfeld in den Spulen eines Generators muss
also möglichst groß sein und sich möglichst schnell in
seiner Größe oder Richtung ändern.
Wie erreichen wir diese Magnetfeldänderung?
Eine Möglichkeit ist in den Bildern 4.1 und 4.2 ge-
zeichnet. Die Magnete (innen) drehen sich, die Spulen
(außen) sind fest eingebaut.
Bild 4.2 Der Feldlinienverlauf durch benachbarte Spulen ist skiz-
ziert. Rechts neben dem Stator ist angedeutet, wie Spulenpaare
in entgegengesetzter Wicklungsrichtung in Reihe geschaltet
werden.
Bewegt sich der Rotor, dreht das Magnetfeld in den
Spulen regelmäßig seine Richtung um. Diese Verände-
rung bewirkt eine sich ebenfalls ständig verändernde
Induktionsspannung an den Spulenenden. Dadurch
kann Strom fließen und elektrische Arbeit frei werden.
Der Fachmann spricht von einem permanent erreg-
ten Synchrongenerator. Der Läufer dreht sich genau
so schnell (synchron) wie das Magnetfeld im Ständer.
Bei der oben beschriebenen Bauart befinden sich die
Magnete auf dem Läufer. Der Strom wird im Ständer
induziert und kann ohne Schleifringe übertragen wer-
den. Dadurch vereinfacht sich für uns die praktische
Umsetzung. Man spricht von einer Innenpolmaschine.
Der Ständer ist nicht als Vollpolständer sondern als
Schenkelpolständer ausgeführt. Bei einem Vollpol-
Bild 4.1 Permanent erregter Generator mit drei Spulenpaaren im
Stator und drei Paaren von Magnetpolen (sechspolige Wechsel- ständer werden die Drahtwicklungen in Nuten des
strom- Synchron-Maschine) Stators eingelegt und bilden so die Induktionsspulen.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth22 4. Metergenerator
Bei einem Schenkelpolständer finden wir radial ange- durch den Generator vorzunehmen. Doch wie soll
ordnete Schenkel , die auf der Außenseite magneti- das gehen? Bei den meisten Generatoren wird das
sche mit einem Eisenring verbunden sind. Auf diese sich verändernde Magnetfeld für die Induktionsspule
Schenkel werden die Spulen aufgesteckt. Bei einem nicht durch Permanentmagnete erzeugt sondern
Durchmesser des Ständers von einem Meter sparen durch Elektromagnete. Beim Pkw-Generator wird z.B.
wir so Kupferdraht. durch einen primitiven Regler der Strom durch diese
Elektromagneten so verändert, dass der Generator
bei unterschiedlichen Drehzahlen immer die gleiche
Spannung liefert. Mit unseren Permanentmagneten
Weiß man, ob das funktioniert? lässt sich da nichts einstellen. Um darauf eine Ant-
Generationen von Mopetschraubern wissen, dass wort geben zu können, betrachten wir kurz die elek-
ihre „Maschine“ Strom für die Zündung braucht und trischen Eigenschaften unseres Generators. Am Ende
vielleicht auch noch Strom für das Licht, falls es über- dieses Kapitels wird dann eine Lösung vorgestellt, wie
haupt noch vorhanden und auch angeschlossen ist. wir mit unserem Generator den Windrotor auf die
Spätestens dann, wenn der Zündfunke ausbleibt und optimale Drehzahl einstellen
der Zündkerzenstecker geprüft ist, sucht man nach
der Quelle des Stromes. Seit über hundert Jahren
wird dieser Strom nach dem oben beschriebenen
Prinzip erzeugt. Warum soll es bei uns nicht funkti- Wie sieht das Schaltbild unseres permanent erreg-
onieren? Wir drehen nur die Anordnung wegen der ten Synchrongenerators aus?
Größe unseres Generators um. Bei Mopetmotoren Wir vereinfachen unsere Überlegungen dadurch, dass
befinden sich die Magnete auf dem Schwungrad mög- wir nur einen ohmsche Widerstand R als Last verwen-
lichst weit außen und erhöhen so die Schwungmasse. den. Das ist sinnvoll, weil wir Batterien mit unserer
Zünd- und Lichtanker sind fest mit dem Kurbelwel- Windkraftanlage laden wollen. Weiter nehmen wir
lengehäuse verbunden und sitzen innerhalb des an, dass die Kupferdrähte, mit denen unsere Spulen
Schwungrades. Bei uns befinden sich die bewegten des Generators gewickelt sind, so dick sind, dass der
Magnete innen und die ortsfesten Spulen außen. ohmsche Widerstand vernachlässigt werden kann.
Das Ersatzschaltbild sieht dann wie in Bild 4.3. aus.
UP ist die Spannung, die in den Spulen durch Induk-
tion entsteht. I ist der Strom im Stromkreis. U ist die
Eignung Spannung an den Klemmen des Generators. I und
U verlaufen sinusförmig. XS ist der induktive Wider-
stand der Spule. Gerade haben wir gesagt, die Spule
Ist dieser Generatortyp überhaupt für unseren hat keinen ohmschen Widerstand. Das stimmt schon,
Windrotor geeignet? aber durch die Selbstinduktion setzt die Spule einem
Wir wissen aus Kapitel 2, dass es für jede Windge- Wechselstrom eine Spannung entgegen und wirkt so
schwindigkeit v eine Drehzahl für unser Windrad gibt, wie ein Widerstand, dessen Größe direkt proportio-
bei der dem Wind die maximale Energie entnommen nal zur Frequenz ist. Bei Gleichstrom entstände keine
werden kann. Diese Drehzahl wird durch die optimale Gegenspannung und kein Widerstand an der Spule.
Schnelllaufzahl λopt beschrieben. Ziel jeder Windener-
gieanlage ist es, für jede Windgeschwindigkeit die
Drehzahl des Rotors so einzustellen, dass λopt erreicht
wird.
Unser Savoniusrotor lässt sich mechanisch nicht ver-
ändern. Wir wollen kein Getriebe zwischen Rotor und
Generator einbauen. Auch diese Einstellmöglichkeit
durch verschiedene Übersetzungen entfällt bei uns.
Wir sind also nicht in der Lage, durch mechanische
Veränderungen λopt zu erreichen.
Die Drehzahl des Windrotors ist immer gleich der Bild 4.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild
Drehzahl des Generators. Es bleibt also nur noch eines Synchrongenerators mit ohmschen
Lastwiderstand R.
die Möglichkeit, die Drehzahlregelung des Rotors
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth4. Metergenerator 23
Was für ein Zusammenhang zwischen Strom und Induktionsspannung UP und der induktive Widerstand
Spannung ergibt sich aus dem Aufbau unseres XS sind direkt proportional zur Drehzahl n. Daher ist
Generators? der Quotient der Größen für den Kurzschlussfall eine
Die IU-Kennlinie eines elektrischen Bauteils gibt den Konstante.
Zusammenhang zwischen dem Strom I, der durch
das Bauteil fließt, und der Spannung an, die dabei
an den Anschlüssen des Bauteils abgegriffen wird.
Aus dieser Linie lassen sich eine Vielzahl von elek-
trischen Eigenschaften das Bauteils ablesen. Sie ist
ein Steckbrief des Bauteils. Bei unserem Generator
kommt verwirrend hinzu, dass die Kennlinie von der
Bauweise (Nennspannung UN , Kurzschlussstrom IK)
und der Drehzahl n abhängig ist. Durch eine Nor-
mung der Achsen erhalten wir jedoch eine über-
sichtliche Darstellung. Die Stromachse wird auf den
Kurzschlussstrom genormt, die Spannungsachse auf
die Leerlaufspannung bei der Nenndrehzahl. Bei der
Nenndrehzahl hat der Generator seine größte Leis-
tung. Die Nenndrehzahl ist kleiner oder gleich der
Maximaldrehzahl.
Winfried Halbhuber gibt in seinem Buch [06] ‚Ge-
samtsystem Kleinwindkraft‘ das Kennlinienfeld eines
Bild 4.4 Kennlinienfeld des Generators bei ohmscher Last für verschie-
Synchrongenerators in dieser übersichtlichen Dar- denen Drehzahlen und zwei Kennlinien ohmscher Lastwiderstände. Die
stallung an (Bild 4.4). Die Bezeichnungen in seinem Graphik ist teilweise entnommen aus: [05] Winfried Halbhuber. Gesamt-
system Kleinwindkraft. 2014
Kennlinienfeld bedeuten:
U ist die Ausgangsspannung des Generators bei
ohmscher Last. Wie kommt man auf Kreise und Ellipsen im Kennli-
UN ist die Ausgangsspannung des Generators bei nienfeld?
Nenndrehzahl im Leerlauf ohne Last (R = ∞). Die Herleitung der Kennlinien ist für interessierte
I ist der Ausgangsstrom des Generators bei ohm- Schüler ohne Weiters nachvollziehbar. Sie ist auf
scher Last R. einem Arbeitsblatt formuliert. Dazu muss aber im Un-
terricht die Zeigerdarstellung einer Wechselspannung
IK ist der Kurzschlussstrom des Generators bei
U und eines Wechselstroms I erklärt werden. Die Län-
Nenndrehzahl (R = 0 Ohm).
ge eines Pfeiles ist der Effektivwert und die Richtung
n ist die Drehzahl des Generators. ergibt sich aus der Phasenlage der Sinuswelle. Zu-
n0 ist die Nenndrehzahl des Generators. sätzlich muss erklärt werden, dass an einer Spule der
Strom- und Spannungszeiger senkrecht zueinander
Es ergibt sich für n0 ein kreisförmiger Verlauf der stehen und an einem ohmschen Widerstand parallel
Kennlinie und für Teildrehzahlen ein ellipsenförmiger. verlaufen. Die Maschenregel im elektrischen Strom-
Man erkennt, dass die Leerlaufspannung des Ge- kreis war früher im Physikunterricht des Gymnasiums
nerators direkt proportional zur Drehzahl ist. Der bekannt. Sie besagt, dass auf einem geschlossenen
Kurzschlussstrom IK hat jedoch für alle Drehzahlen des Weg durch eine elektrische Schaltung die Summe
Generators den gleichen Wert. aller auftretenden Spannung unter Beachtung des
Vorzeichens den Wert 0 V ergibt. Mit Hilfe des Pytha-
Aus dem Induktionsgesetz ergibt sich diese Abhängig- goras und der Gleichungen des Kreises und der Ellipse
keit der Leerlaufspannung. Dass sich der Kurzschluss- erhält man dann die Graphen. Man kann sie sich aber
strom nicht ändert, liegt am ohmschen Gesetz. Die auch mit PSpice berechnen und anzeigen lassen.
Graf-Münster-Gymnasium Bayreuth24 4. Metergenerator
Was hilft uns das Kennlinienfeld bei der Regelung tung eines Windrades mit wenigen Quadratmetern
des Windrotors? Rotorfläche, wie wir es gebaut haben, äußerst gering
Für jede Drehzahl n gibt es für jeden Lastwiderstand ist (Siehe auch „7. Die Leistung des GMG-Windrads“).
Ri ein eindeutiges Wertepaar (Ii/Ui). Ii ist der Strom, Preiswerte Generatoren, wie sie in Kraftfahrzeugen
der durch die Anschlüsse des Generators fließt, Ui ist oder Notstromgeneratoren verbaut sind, scheiden
gleichzeitig zwischen den Anschlüssen herrschende aus. Diese Maschinen drehen sich mit mehreren Tau-
Spannung. send Umdrehungen pro Minute. Wegen der geringen
Leistung unserer Anlage kommt eine Übersetzung der
Beispiel aus 4.4:
Drehzahl, um handelsübliche Generatoren betreiben
U1 I1 zu können, nicht in Frage.
Für n = 0,8 n0 und für R1 ist -------
UN = 0,8 und ---- = 0,1.
Ik Was bleibt, ist den Radius unseres Generators zu
U1 I1 vergrößern, wenn wir überhaupt noch ein wenig
Für n = 0,8 n0 und für R2 ist ------- = 0,74 und ---- = 0,4.
UN Ik Strom erhalten wollen. Bei gleicher Drehzahl wird die
Änderung der Magnetfelder in den Spulen schneller,
Die Widerstandswerte von R1 und R2 sind so groß wie
ΔU wenn wir den Kreis, auf dem die Spulen angeordnet
die Steigungen ( ̶ ΔI̶ ̶ ̶ ) der jeweiligen Ursprungsgera- sind, vergrößern.
den durch die Punkte (I1/U1) bzw. (I2/U2). Das macht man schon seit über 100 Jahren so. Die
Die Leistung des Generators P berechnet sich nach P= Drehzahl großer Dampfmaschinen, die Generatoren
U . I. Für die gleiche Drehzahl n wird dem Generator antrieben, lag bei ca. 100 Umdrehungen pro Minute.
unterschiedlich viel Leistung P entnommen, wenn der Auch moderne Generatoren von Windkraftanlagen
Lastwiderstand R verschieden ist. arbeiten manchmal nach diesem Prinzip. Die Firma
Beispiel zu 4.4: Enercon, die eine Schülergruppe des Graf-Münster-
Gymnasiums in Magdeburg besucht hat, verbaut
P1 Generatoren mit einen Durchmesser von über 12
Für n = 0,8 n0 und für R1 ist ------------ = 0,8 . 0,1 = 0,8.
UN . Ik Metern. Auch hier wird kein Getriebe verwendet.
P2 Kleinere kommerzielle Windkraftwerke bringen es auf
Für n = 0,8 n0 und für R2 ist ---------- = 0,74 . 0,4 = 2,96.
UN. Ik 30 Umdrehungen pro Minute, große auf nur noch 12
Aus den obigen Überlegungen sieht man, dass sich Umdrehungen pro Minute.
unser Generator trotzdem regeln lässt, obwohl sein Solche speziellen Generatoren sind jedoch für uns
Erregermagnetfeld durch die Permanentmagnete unerschwinglich teuer. Es bleibt also nur ein Eigenbau.
unveränderbar ist. Das geschieht durch Anpassung
des Lastwiderstandes. Was das für Konsequenzen hat,
wird am Ende dieses Kapitels beschrieben. Dort steht
auch wie unsere Regelung funktioniert. Stator
Wie sieht die Idee aus, preiswert einen Stator
selbst zu bauen?
Anpassung Der Stator leitet bei unserer Bauart des Generators
den sich ändernden magnetischen Fluss durch die fest
Welche mechanischen Konsequenzen ergeben sich
verbauten Spulen. In Transformatoren benutzt man
aus der Rotorform unseres Windkraftwerkes für
dazu spezielle Trafobleche. Diese Lösung übernehmen
den Generator?
wir für unseren Stator. Dafür haben wir von der Firma
Unser Windrotor soll wegen seiner Bauart höchs-
Waasner über 500 E-Bleche für Transformatoren
tens ein- oder zweihundert Umdrehungen pro
kostenlos zur Verfügung gestellt bekommen. Diese
Minute erreichen und bei höheren Drehzahlen aus
E-Bleche sind so dimensioniert, dass sie sich im Ver-
Sicherheitsgründen abgeschaltet werden. Seit Albert
satz liegend genau überdecken. Das machen wir uns
Betz [01] Windenergie und ihre Ausnutzung durch
zunutze. Im Bild 4.5 sieht man einen
Windmühlen (1926) ist aber bekannt, dass die Leis-
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