Eine Schule macht Wind

Von Florian Schulz und den Abschlusskollegiaten 2013/14, Februar 2017

Am Berufskolleg der Freien Waldorfschule Haan-Gruiten bauen Schüler ein Windrad.

Anlässlich des Wettbewerbs der Energieagentur Nordrhein-Westfalen »Schulen machen Wind« hat sich die Waldorfschule in Haan-Gruiten besonders mit Fragen zur Energiegewinnung durch Windkraft beschäftigt. Schnell war klar, dass wir uns nicht mit einem Modell zufriedengeben, sondern ein richtiges Windrad bauen wollten, das der Schule später einmal Energie liefern sollte. Doch unser ehrgeiziges Projekt sprengte den Zeitrahmen, so dass wir nicht mehr regulär am Wettbewerb teilnehmen konnten.

Innerhalb von zweimal drei Wochen während der Physikepochen mit jeweils zwei Stunden am Tag – und natürlich darüber hinaus setzten wir unser Projekt um. Teile des Windrads wurden in der Schmiede unserer Schule angefertigt. Nach den schriftlichen Abschlussprüfungen stellten wir das Windrad fertig und es wurde auf dem Dach unserer Schulgebäude installiert. 

Verschiedene Windkraftanlagen

Zu Beginn des Projekts haben wir uns zunächst einen Überblick über die verschiedenen Windkraftanlagen verschafft. Grundlegend gibt es zwei unterschiedliche Bauweisen, die entweder die horizontale oder die vertikale Achse nutzen. Zudem kann man den Wind mit Hilfe von zwei unterschiedlichen Systemen umsetzen – Schnellläufer und Langsamläufer. Die Methode, die sich in großen Anlagen technisch durchgesetzt hat, ist die der Schnellläufer – mit horizontaler Achse und aus Belastungsgründen meist mit drei Flügeln. In kleineren – meist privaten – Systemen kommen keine Schnellläufer zum Einsatz, eher Modelle mit vertikaler Achse, da diese nur den Staudruck nutzen. Ein Schnellläufer nutzt dasselbe System wie die Flügel eines Flugzeugs. Die Theorie geht von geraden Stromlinien aus, die – sofern Wind vorhanden ist oder der Flügel selbst sich durch die Luft bewegt – gerade oberhalb und unterhalb des Flügels entlangziehen. Die eine Seite des Flügels ist aber etwas mehr ausgebeult als die andere, weshalb die Luft dort eine größere Strecke zurücklegen muss. An dieser Stelle bewegt sich die Luft deutlich schneller und es entsteht ein Unterdruck, der den Flügel in die Richtung der Ausbeulung zieht. Diese Kraft wird bei Schnellläufern und bei Flugzeugen benutzt. Diese Methode erfordert aber, dass der Flügel sich schneller bewegt als die Luft, damit dieser Unterdruck überhaupt entstehen kann. Deshalb benötigen Schnellläufer eine Starthilfe. Das macht sie für kleine Anlagen unattraktiv, auch wenn ihr Wirkungsgrad der Beste ist (aktuell nicht viel mehr als 50 Prozent, dabei sind
59,2 Prozent das Maximum des physikalisch Möglichen).

Doppelte Helix mit vertikaler Achse

Da die durchschnittliche Windgeschwindigkeit auf dem Dach der Schule relativ niedrig ist (max. 82 km/h bei Sturm), entschieden wir uns für ein Modell der doppelten Helix mit vertikaler Achse. Dieses wird derzeit besonders häufig in China hergestellt und eingesetzt, da es klein und effizient ist und auch in abgelegeneren Regionen eine gute Möglichkeit der Stromerzeugung darstellt. Die Formeln, die wir bei dem zuerst angedachten Windrad verwendet hatten, waren nicht auf dieses Modell übertragbar. Wir konnten auch keine Formeln zur Berechnung der Effizienz des Windrads finden, nicht einmal bei den Herstellern selbst. Wir berechneten die Zentrifugalkräfte und die Kräfte, die auf die Befestigung des Windrades wirken würden. Bei einer Fläche von 1,25 Quadratmeter und einer Windgeschwindigkeit von 16 m/s berechneten wir eine wirkende Kraft von 176,4 Newton, die sich bei einer Befestigungslänge von 1,5 Meter auf 129,36 Newton reduzierten, was umgerechnet ungefähr 13 Kilogramm Zugkraft bedeutet. Die Werte, die wir bei diesen Berechnungen herausbekamen, waren erstaunlich niedrig und erleichterten die Planung der Befestigung. Die Maße des Windrades berechneten wir noch während der Messungen auf dem Dach und stellten so sicher, dass die entstehenden Kräfte nicht zu groß werden und nicht die maximale Drehzahl unseres Generators übersteigen. Bei der Form und der Bauweise wurden wir durch Bilder einiger Firmen inspiriert, die derartige Windradarten herstellen. Nach einigen Überlegungen entschlossen wir uns, das Skelett aus Stahl zu bauen, da Stahl – im Gegensatz zu Aluminium – sich leichter schweißen lässt.

Material bestellen – Teile herstellen – zusammenbauen

Die formgebenden Querstreben des Windrads mussten bestellt werden. Dazu fertigten wir eine Vektordatei der Querstreben als Schnittmuster an. Die eigentliche Rotorfläche wollten wir entweder aus Glasfaser oder aus Plastik fertigen, wir entschieden uns für Glasfaser. Der Generator, den wir aus China bestellen wollten – da dieser genau für diese Art von Windrädern konzipiert ist – stellte sich letztendlich aufgrund von Lieferkosten und Zollgebühren als zu teuer heraus. Wir stiegen auf einen Günstigeren um, auch aus China, allerdings über eine deutsche Firma lieferbar. Zur Befestigung auf dem Dach planten wir ein Gerüst, gestützt auf Reifen, die mit Beton gefüllt sind. Der untere Teil, auf dem das Windrad steht, besteht aus einem Balkenkreuz von 2 mal 4 Metern. An den Enden der Balken sollen die Reifen befestigt sein.

Nach dem Eintreffen der Teile haben wir mit dem Ausgießen der Reifen begonnen. Dann wurden die Querstreben auf der Achse festgeklemmt, damit eine Wartung vereinfacht wird. Als nächster Schritt folgte das Einbauen der Längsverstrebungen, auf denen wir dann die Glasfasermatten mit Hilfe von Polyesterharz befestigt haben, um so die Rotorfläche zu bilden. Das tragende Holzkreuz haben wir zurechtgeschnitten und vorgebohrt. Der Stahlrahmen wurde zusammengeschweißt. Nachdem alle notwendigen Teile fertiggestellt waren, haben wir sie auf das Dach hinaufbefördert und dort das Windrad zusammengebaut. Für die Optik wollten wir zuerst die ganze Fläche lackieren, haben uns dann aber nach Absprache mit der Schule nur für einen markanten Rand entschieden. Seit dieser Zeit dreht sich das Windrad schon bei relativ geringem Wind und wird von vielen Nachbarn und Besuchern der Schule als attraktives Kunstobjekt angesehen.

Wie es weiterging und geht

Der zunächst eingebaute Generator brauchte zum Anlaufen einen großen Kraftimpuls, so dass das Windrad erst bei größeren Windstärken dreht. Auch zeigte sich, dass die Region sehr windarm ist und eine kontinuierliche Versorgung für die Schulhofbeleuchtung damit allein nicht gewährleistet werden kann. Inzwischen wurde ein neuer, sogenannter eisenloser Generator bestellt, dessen Rotor nicht magnetisch festklebt, also keinen Anlaufkraftstoß braucht, und im nächsten Jahrgang in Betrieb genommen wird. In diesem Schuljahr wurde von den Schülern noch ein Solarpanel zur Unterstützung installiert, das bei Windstille den Akku auflädt. Vier LED-Scheinwerfer à 10 Watt wurden zur Schulhofbeleuchtung am Gebäudedach positioniert. Sie werden mit Schaltuhr und Dämmerungsschalter gesteuert und beleuchten den Weg entlang des Gebäudes.

Zum Autor: Dr. Florian Schulz ist Oberstufenlehrer für Mathematik, Physik und Informationstechnologie an der Windrather Talschule in Velbert-Langenberg und unterrichtet Physik im Berufskolleg der Freien Waldorfschule Haan-Gruiten. Er ist in der Lehrerausbildung am Lehrerseminar Kassel für Oberstufenlehrer an Waldorfschulen tätig und entwickelt Lehrgeräte für den phänomenologischen Physikunterricht an Waldorfschulen.

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