Ein neues Windrad auf dem Dach der G17
Von der Konstruktion des Windradmasts bis zur Montage und Inbetriebnahme
Ein Projekt im Technikunterricht der G17
In der FOS und am TG der G17 wurde das Thema Windenergietechnik / Maschinenbau behandelt. Dabei wurde von den Schülern ein Windrad ausgewählt und ein kippbarer Mast konstruiert. Gefertigt wurden die Bauteile zum Teil von Schülern der Abteilung Berufsfachschule Technisches Zeichnen der G17 in der schuleigenen Werkstatt. Das Windrad wurde von unseren Schülern auf dem Schuldach montiert. Am 01. April 2010 hat es den Betrieb aufgenommen und speist jetzt elektrische Energie in das Schulnetz ein. Der Energieertrag und die Leistung werden bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten gemessen und können jetzt im Unterricht ausgewertet werden.
Repowering - unser altes Windrad wurde ersetzt
Unser alte Windrad (aerocraft750) wurde seit 1996 betrieben, wobei mehrere Nachteile deutlich geworden sind:
- Eine Netzeinspeisung war nicht möglich, so dass „nur“ Akkus geladen werden konnten.
- Nach 11-jährigem Betrieb hatte das Windrad einen Lagerschaden.
- Der Standort an der Dachkante hat sich als strömungstechnisch ungünstig erwiesen. Für das neue Windrad sollte ein besserer Standort gefunden werden.
Schüler haben daraufhin im Technikunterricht Anforderungen an ein neues Windrad erarbeitet und recherchiert, so dass ein neues Windrad vom Typ LAKOTA gekauft werden konnte. Dieses Windrad speist mit dem Wechselrichter DMI direkt ins Netz ein. Eine Besonderheit dieses Windrades ist die Sturmabschaltung - auf der folgenden Abbildung sieht man das Kippen in die sogenannte Helikopterstellung.
Die Projektarbeit
Mit den Schülern wurde im Unterricht die CO2-Problematik im Zusammenhang mit der Entwicklung des Energieverbrauchs und der Ressourcenendlichkeit thematisiert worden. Es wurden Anteile und Potenziale erneuerbarer Energien im Strommix im In- und Ausland on- und offshore analysiert, die Aussichten auf dem Arbeitsmarkt und die Möglichkeiten als Exportartikel erarbeitet. Der gesetzliche Rahmen in Form des Energie-Einspeise-Gesetz wurde ebenfalls untersucht.
Im Technikunterricht ist die Windenergie unter maschinenbaulichem Aspekt betrachtet worden. Dazu wurden u.a. folgende Inhalte erarbeitet:
- der Aufbau von Windenergieanlagen,
- die Funktion einzelner Bauelemente,
- Leistungsbeiwert cp, Luftwiderstand cw und Auftriebca ,
- Kräfte am Rotor,
- Regelungen (Pitch-Regelung, Stall-Effekt),
- Jahresenergieertrag und Volllaststunden,
- Standorteinflüsse und Wirtschaftlichkeitsberechnungen.
Im nächsten Schritt sollte ein kippbarer Mast konstruiert werden. Die Schüler erstellten dazu in Gruppen ein Lasten- und ein Pflichtenheft, entwickelten technische Zeichnungen und fertigten ein Modell. Sie erarbeiteten Kriterien zur Beurteilung der Entwürfe, präsentierten diese, diskutierten im Plenum die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Varianten und entschieden sich für einen Entwurf, der im Detail noch optimiert wurde.
Im weiteren Verlauf sind im Unterricht Einzelteile dimensioniert worden. Dazu zählten u.a.
- Berechnung der Gewichte gegen Kippen (Kippmomente)
- Dimensionierung des Mastes (Rundprofil, Biegebelastung)
- Dimensionierung der U-Profile (Biegebelastung)
- Dimensionierung der Spannseile (Zugbelastung)
- Maximale Zugbelastung im Seil des Kippmechanismus
- Berechnung der maximalen Kantenpressung, um die Dachhaut nicht beschädigen.
Nach der Detailplanung haben sich die Schüler und die Fachlehrer mit einer Schlosserei zusammengesetzt, den Entwurf diskutiert und Vorschläge der Schlosserei integriert.
Die Fertigung der Bauteile erfolgte zum Teil durch Schüler der Abteilung Berufsfachschule für Technisches Zeichnen und überwiegend in einer Schlosserei. Die Montage der Anlage wurde von Schülern auf dem Dach der Schule durchgeführt. Am 01. April 2010 ging die Anlage ans Netz.
Das Windrad speist die elektrische Energie jetzt direkt in unser Schulnetz ein. Die ersten Messergebnisse können seit kurzem im Unterricht ausgewertet werden.
Abed, Nedim, Zainab, Angelo, Viktor, Kwame, Maik und Viktor (Heinrich fehlt auf dem Foto) sind stolz auf ihre geleistete Arbeit und auf die ersten eingespeisten Kilowattstunden regenerative Energie.
Die Rotorblätter werden montiert.
Das Windrad hat einen Rotordurchmesser d = 2,16 m und leistet bei einer Windgeschwindigkeit v = 12,9 m/s etwa 900 Watt.
Eine Unwucht am Rotor sollte unbedingt vermieden werden.
Der kippbare Mast wird per Handkurbel aufgerichtet ...
... und mit Seilen abgespannt.
Die Nabenhöhe beträgt 6 m.
Abed, Nedim, Zainab, Angelo, Viktor, Kwame, Maik und Viktor (Heinrich fehlt auf dem Foto) sind stolz auf ihre geleistete Arbeit und auf die ersten eingespeisten Kilowattstunden regenerative Energie.