In diesem Kapitel beschäftigen wir uns mit eigenen Experimenten zur Windenergie und zwar mit


1. Experimente mit dem "Windkoffer"

    Der Windkoffer ist ein Experimentierset, das uns von unserem Kooperationspartner zur Verfügung gestellt wurde.

    Das komplett und praktisch in einem Metallkoffer untergebrachte Experimentierset, besteht im Wesentlichen aus

    • Gebläse als Winderzeuger einschließlich der zugehörigen Netzgeräte und der kleinen Steuerungsbox (im Bild links),

    • Modell-Windrädern (im Bild rechts),
      d. h. kleinen Generatoren mit verschiedenen Flügel-Aufsätzen,

    • Messgeräten sowie

    • notwendigem Zubehör, z. B. dem Belastungselement im Bild zwischen den beiden Messgeräten.

    Mit diesem Gerät wollen wir selbst experimentieren und einfache Zusammenhänge untersuchen.
    Wir wollen uns also von einigen Aussagen und Behauptungen, die wir im Laufe unserer Recherchen gehört und gelesen haben, auch wirklich überzeugen.

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1.1. Zusammenhang zwischen Einteilung der Gebläsesteuerung und Windgeschwindigkeit

    (Vorversuch zur Kalibrierung der Gebläse-Steuerung)
    In dem oben abgebildeten Versuchsaufbau ersetzen wir das Modellwindrad zunächst durch das kleine Anemometer (Windmesser) und bestimmen dann schrittweise die Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Skalen-Einstellung der kleinen Steuerung des Gebläses.
    Wir nehmen also im Prinzip eine Kalibrierung dieser Skala vor.
    Dadurch ersparen wir uns bei späteren Versuchen jeweils die zusätzliche Messung der Windgeschwindigkeit.

    Die Ergebnisse der Messreihe sind eigentlich nur für den weiteren "internen" Gebrauch interessant; wir verzichten deshalb hier auf die Wiedergabe.

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1.2. Ausgangsleistung bei unterschiedlich geformten Flügeln

    Zur Ausstattung des "Windkoffers" gehören zwei unterschiedlich geformte Sätze von Flügel, nämlich ebene und gewölbte.
    Wir setzen nacheinander bei konstanter Windgeschwindigkeit und jeweils gleichem Einstellwinkel die ebenen Flügel und dann die gewölbten Flügel ein, wobei wir die Wölbung einmal dem Wind entgegen und einmal dem Wind abgewandt einsetzten.
    Wir untersuchen die vom Windrad aufgenommene Leistung; dazu messen wir an dem Belastungselement Spannung U und Stromstärke I, aus deren Produkt sich die elektrische Leistung P = U I ergibt.

    Das Ergebnis ist eindeutig und einfach: Die größte Leistung nehmen die gewölbten Flügel auf, wenn der Wind in sie "hineingreift"; sind sie umgedreht ist die Leistung nur etwa halb so groß; dagegen liefern die ebenen Flügel noch annähernd 85% der geschickt angeordneten gewölbten Flügel.

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1.3. Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Einstellwinkeln

    Nunmehr variieren wir im gleichen Aufbau wie im vorangegangenen Versuch den Einstellwinkel der Flügel.
    Wir benutzen dazu die effektiv gewölbten Flügel und messen für zwei verschiedene Windgeschwindigkeiten die Leistung unseres "Windrades" in Abhängigkeit von diesem Einstellwinkel.

    Das nebenstehende Diagramm zeigt die Leistung P in mW für Winkel zwischen 0° und 90° in Schritten von 15°: in rot für 6m/s und in blau für 4m/s Windgeschwindigkeit.
    Die größte Leistung liefert das Windrad bei etwa 60°.

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1.4. Ausgangsleistung bei unterschiedlicher Flügelzahl

    Heutzutage werden Windkonverter mit 3 Flügeln am häufigsten genutzt. Auf den ersten Blick erscheinen dem Laien diese Windräder im Vergleich z. B. zur Holland-Mühle oder der Westernmill doch sehr "offen", und rein anschaulich könnte man glauben, dass die Luft relativ ungehindert durch den Rotor strömt.
    Dabei wird wohl gefühlsmäßig die hohe Eigengeschwindigkeit der Rotorflügel moderner Rotoren übersehen, die also in relativ kurzer Zeit eine große Durchsatzfläche des Rotorkreises überstreichen.
    Die geringe Flügelzahl vermeidet zu großes Abbremsen durch den Luftwiderstand in der Eigen-Dreh-Bewegung. Bei einem Flügel wäre die Abbremsung daher am geringsten, doch hierbei läuft das Windrad oft nicht gut genug an. So hat sich durchweg bei uns das Optimum mit 3 Flügeln ergeben. 

    Tatsächlich liefert unser Windrad die größte Leistung bei drei Flügeln, wir betrachten dies aber bei der hier verwendeten einfachen Form auch als Zufall.


Diese Experimente geben natürlich nur einen kleinen Hinweis auf die herausragende Bedeutung von Form und Ausrichtung sowie Anzahl der Flügel. Die Konstruktion aerodynamischer Flügel ("Auftriebsläufer") eines modernen Windkonverters ist "eine kleine Wissenschaft für sich"; wir gehen hierauf in Kapitel 6 - Aufbau einer Windkraftanlage noch einmal kurz ein und geben dort auch Hinweise zum Weiterlesen.


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2. Versuch zur Messung der Windgeschwindigkeit auf dem Schuldach

    Trifft Luft der Dichte d mit der Geschwindigkeit v auf die Fläche A, so wirkt sie mit der Kraft F

    F = ½ cW v2 A d auf diese Fläche ein.

    Dabei ist cW der Widerstandsbeiwert - vielen aus der Automobiltechnik bekannt; cW ist abhängig von der Form des Körpers, der dem Wind den "Widerstand entgegensetzt".

    Umgekehrt kann man damit aus der Kraft auf eine bekannte Fläche die Windgeschwindigkeit bestimmen.

    Diese Idee initiierte und unterstützte Mareikes Vater, Herr Dr. Haak. Er stellte uns dazu Kraftmesser mit Dehnungsmessstreifen sowie Datenlogger zur Verfügung.
    Kraftmesser mit Dehnungsmessstreifen - dünne Drähte, die aufgeklebt werden, ändern bei Dehnung ihren elektrischen Widerstand - besitzen in vielen Bereichen der Industrie umfangreiche Anwendungen, z. B. in der anschaulichsten Form von Waagen.

    Die Kraftmesser sind in der Mitte der Plexiglasplatten angebracht.

    Sie sind mit Kabeln an den "Datenlogger" (elektronisches Datenaufzeichnungsgerät), der die Werte aufnimmt und speichert, angeschlossen.
    Später können die Daten dann zur Weiterverarbeitung elektronisch ausgelesen werden.

    Auf diese Weise soll also die Windgeschwindigkeit auf unserem Schuldach beobachtet und protokolliert werden.

    Dieses Experiment ist leider - zunächst - misslungen, weil die Apparatur in einem unerwartet starken Frühsommer-Sturm zerbrach . Nach der Reparatur wollen wir es möglichst bald in einer Projektarbeit nachholen.

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Erstellt am 26.01. 2004; zuletzt geändert am 11.01.2005 . (Ka)