Windmühle

---

Hintergrund

Eine Windmühle ist eine Struktur oder Maschine, die Wind durch die Drehung eines Rades aus verstellbaren Blättern in nutzbare Energie umwandelt. Traditionell wird die von einer Windmühle erzeugte Energie verwendet, um Getreide zu Mehl zu mahlen. Windmühlen werden von erfahrenen Handwerkern entworfen und können vor Ort mit Handwerkzeugen gebaut werden. Windmühlen entwickelten sich im Laufe der Jahrhunderte stetig und erlangten ihre größte Bedeutung in Europa im 18. Jahrhundert. Sie wurden als energieerzeugende Struktur weitgehend ersetzt, als die Dampfkraft im 19. Jahrhundert genutzt wurde. Heute erlebt die Windkrafttechnologie eine Renaissance und die Windkraftanlage verspricht in Zukunft eine wichtige Alternative zu fossilen Brennstoffen zu sein.

Verlauf

Seit Jahrhunderten nutzt der Mensch Wind, um Maschinen anzutreiben. Die früheste Verwendung war höchstwahrscheinlich als Energiequelle für Segelboote, um sie über das Wasser zu treiben. Das genaue Datum, an dem Menschen Windmühlen speziell für die Arbeit gebaut haben, ist unbekannt, aber das erste aufgezeichnete Windmühlendesign stammt aus Persien um n. Chr. 500-900. Diese Maschine wurde ursprünglich zum Pumpen von Wasser verwendet, dann wurde sie zum Mahlen von Getreide angepasst. Es hatte vertikale Segel aus leichten Holzbündeln, die durch horizontale Streben an einer vertikalen Welle befestigt waren. Das Design, bekannt als Panemone, ist eine der am wenigsten effizienten Windmühlenstrukturen, die erfunden wurden. Es sollte beachtet werden, dass Windmühlen in China vor über 2.000 Jahren verwendet wurden, was es zum eigentlichen Geburtsort für Windmühlen mit vertikaler Achse macht. Die früheste dokumentierte Verwendung, die von Archäologen in China gefunden wurde, ist jedoch n. Chr. 1219.

Das Konzept der Windmühle verbreitete sich nach den Kreuzzügen nach Europa. Die frühesten europäischen Entwürfe, dokumentiert in n. Chr. 1270, hatte horizontale statt vertikale Achsen. Der Grund für diese Diskrepanz ist unbekannt, wahrscheinlich aber auf zwei Faktoren zurückzuführen. Erstens könnten die europäischen Windmühlen Wasserrädern nachempfunden sein, die eine horizontale Achse hatten. Das Wasserrad war in Europa schon lange vorher bekannt. Zweitens war das Design der horizontalen Achse effizienter und funktionierte besser. Im Allgemeinen hatten diese Mühlen vier Schaufeln, die an einem zentralen Pfosten montiert waren. Sie hatten ein Zahnrad und ein Hohlrad, das die horizontale Bewegung der zentralen Welle in eine vertikale Bewegung für den Schleifstein oder die Scheibe übersetzte, die dann zum Pumpen von Wasser oder zum Mahlen von Getreide verwendet werden würde.

Die europäischen Mühlenbauer haben die Windmühlentechnologie im Laufe der Jahrhunderte immens verbessert. Die meisten Innovationen kamen aus den Niederlanden und den Engländern. Eine der wichtigsten Verbesserungen war die Einführung der Turmmühle. Diese Konstruktion ermöglichte es, die Rotorblätter der Mühle nach Bedarf in den Wind zu bewegen und den Hauptkörper dauerhaft zu fixieren. Die Niederländer schufen mehrstöckige Türme, in denen Mühlenbetreiber arbeiten und auch leben konnten. Die Engländer führten eine Reihe automatischer Steuerungen ein, die Windmühlen effizienter machten.

In der vorindustriellen Welt waren Windmühlen die Elektromotoren Europas. Neben Wasserpumpen und Getreidemahlen wurden sie zum Antrieb von Sägewerken und zur Verarbeitung von Gewürzen, Farbstoffen und Tabak verwendet. Die Entwicklung der Dampfkraft im 19. Jahrhundert und die Ungewissheit der Windkraftanlagen führten jedoch zu einem stetigen Rückgang der Verwendung großer Windkraftanlagen. Heute steht nur noch ein kleiner Bruchteil der Windmühlen, die einst die Welt mit Energie versorgten.

Selbst als größere Windmühlen aufgegeben wurden, florierten kleinere Windmühlen mit Fächern. Diese Windmühlen wurden hauptsächlich zum Pumpen von Wasser auf Farmen verwendet. In Amerika wurden diese Designs im 19. Jahrhundert perfektioniert. Die Halladay-Windmühle wurde 1854 eingeführt, gefolgt von den Designs Aermotor und Dempster. Die beiden letzteren Designs werden noch heute verwendet. Tatsächlich wurden zwischen 1850 und 1970 in den Vereinigten Staaten über sechs Millionen gebaut.

Design

Es gibt zwei Klassen von Windmühlen, die horizontale Achse und die vertikale Achse. Das Design der vertikalen Achse war während der frühen Entwicklung der Windmühle beliebt. Die Ineffizienz des Betriebs führte jedoch zur Entwicklung der zahlreichen horizontalen Achsenkonstruktionen.

Von den Versionen mit horizontalen Achsen gibt es eine Vielzahl von diesen, einschließlich der Bockmühle, der Kittelmühle, der Turmmühle und der Fächermühle. Der früheste Entwurf ist die Bockmühle. Es ist nach dem großen, aufrechten Pfosten benannt, an dem der Mühlenkörper ausbalanciert ist. Dieses Design bietet dem Mühlenbetreiber Flexibilität, da die Windmühle je nach Windrichtung so gedreht werden kann, dass sie den meisten Wind einfängt. Um den Pfosten stabil zu halten, wird um ihn herum eine Stützkonstruktion gebaut. Normalerweise wird diese Struktur mit Ziegeln oder Steinen vom Boden abgehoben, um Fäulnis zu verhindern.

Die Säulenmühle hat vier Messer, die an einem zentralen Pfosten montiert sind. Die horizontale Welle der Messer ist mit einem großen Bremsrad verbunden. Das Bremsrad interagiert mit einem Zahnradsystem, dem sogenannten Wallower, das eine zentrale, vertikale Welle dreht. Diese Bewegung kann dann verwendet werden, um Wasserpumpen oder Getreidemahlaktivitäten anzutreiben.

Die Kittelmühle ähnelt der Nachmühle, enthält jedoch einige wesentliche Verbesserungen. Der Name leitet sich von der Tatsache ab, dass der Körper vage einem Kleid oder Kittel ähnelt, wie sie genannt wurden. Ein Vorteil ist die Tatsache, dass nur die Oberseite der Mühle beweglich ist. Dies ermöglicht, dass die Hauptkörperstruktur dauerhafter ist, während der Rest angepasst werden könnte, um Wind zu sammeln, egal aus welcher Richtung er bläst. Da er sich nicht bewegt, kann der Hauptkörper größer und höher gemacht werden. Das bedeutet, dass mehr Ausrüstung in der Mühle untergebracht werden kann und höhere Segel verwendet werden können, um noch mehr Wind zu sammeln. Die meisten Kittelmühlen sind achtseitig, obwohl dies zwischen sechs und 12 variieren kann.

Turmmühlen sind weitere Verbesserungen gegenüber Kittelmühlen. Sie haben eine drehbare Kappe und einen dauerhaften Körper, aber dieser Körper besteht aus Ziegeln oder Stein. Diese Tatsache macht es möglich, dass die Türme abgerundet werden. Eine runde Struktur ermöglicht noch größere und höhere Türme. Darüber hinaus machen Ziegel und Stein die Turmwindmühlen zum wetterbeständigsten Design.

Während die vorherigen Windmühlen-Designs für größere Strukturen gedacht waren, die ganze Städte versorgen könnten, wurde die Windmühle vom Ventilatortyp speziell für Einzelpersonen entwickelt. Es ist viel kleiner und wird hauptsächlich zum Pumpen von Wasser verwendet. Es besteht aus einem festen Turm (Mast), einer Rad- und Leitwerksbaugruppe (Lüfter), einer Kopfbaugruppe und einer Pumpe. Die Masten können 3-15 m hoch sein. Die Anzahl der Blätter kann zwischen vier und 20 liegen und einen Durchmesser zwischen 1,8 und 4,9 m haben.

Rohstoffe

Windmühlen können aus verschiedenen Materialien hergestellt werden. Bockmühlen bestehen fast ausschließlich aus Holz. Für die Ventilatorflügel wird ein leichtes Holz, wie Balsaholz, und für den Rest der Struktur ein stärkeres, schwereres Holz verwendet. Das Holz wird mit Farbe oder einem Harz beschichtet, um es vor der äußeren Umgebung zu schützen. Die Kittel- und Turmmühlen, die vor dem 20. Jahrhundert von den Niederländern und Briten gebaut wurden, verwenden viele der gleichen Materialien, die für den Bau von Häusern verwendet werden, darunter Holz, Ziegel und Steine.

Der Hauptkörper der Gebläsemühlen besteht aus verzinktem Stahl. Dieser Prozess der Behandlung von Stahl macht ihn witterungsbeständig und stark. Die Flügel des Ventilators bestehen aus leichtem, verzinktem Stahl oder Aluminium. Die Pumpe besteht aus Bronze und Messing, die das Einfrieren verhindern. Für Unterlegscheiben und O-Ringe werden Leder oder synthetische Polymere verwendet.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Windmühlen werden immer vor Ort aus vorgefertigten Teilen errichtet. Die folgende Beschreibung bezieht sich auf die Windmühle vom Ventilatortyp. Das Grundlegende Ein Beispiel für eine Windmühle aus dem Jahr 1797. Die Schritte umfassen die Herstellung der Teile und den anschließenden Zusammenbau der Struktur.

Herstellung der Turmteile

• 1 Die Turmteile sind aus verzinktem Stahl. Dieser Prozess beginnt mit einer Rolle aufgewickelten Blechs. Die Coils werden auf eine Abwickelvorrichtung gelegt und der Produktionslinie zugeführt. Sie werden unter einem Glätteisen geführt, um Knicke oder Verdrehungen zu entfernen. Die Stücke werden auf die entsprechende Größe und Form zugeschnitten. In einigen Fällen können Teile auf eine Maschine gelegt werden, die sie rollt und die Naht schweißt. Die Enden werden unter einer Crimpmaschine hindurchgeführt und die Teile zur Endbearbeitungsstation transportiert.
• 2 An der Endbearbeitungsstation werden an bestimmten Stellen Löcher in die Metallteile gebohrt, wie es die Windmühlenkonstruktion erfordert. Die Teile können auch lackiert oder beschichtet werden, bevor sie im endgültigen Windmühlenbausatz angeordnet werden.

Herstellung des Getriebes

• 3 Das Getriebe ist eine komplizierte Baugruppe, die aus verschiedenen Zahnrädern, Achsen, Rotoren und Rädern besteht. Die Teile werden druckgegossen und von Hand zusammengebaut. Sie sind in einem wetterbeständigen Gehäuse untergebracht, das die Getriebeteile und die daran befestigten Rad- und Leitwerke aufnehmen soll.

Den Fächer machen

• 4 Der Ventilator besteht aus einem Metallkranz mit daran befestigten leicht gebogenen Flügeln. Die Felge wird auf einer Maschine hergestellt, die Stahlbänder zu kreisförmigen Reifen rollt. An beiden Enden wird ein Loch gebohrt, und sie werden mit einer kleinen Klemme und Schraube verbunden, nachdem die Lüfterflügel befestigt sind. Anschließend wird eine Mittelachse mit der Felge verbunden und mit kleinen Stahlspeichen befestigt. Ein typisches Design hat fünf Speichenpaare, die in gleichmäßigen Abständen entlang der Felge angebracht sind.
• 5 Die Lüfterflügel und das Heck werden aus Blechstücken geschnitten. Die Klingen werden dann durch eine Maschine geführt, die ihnen eine leichte Krümmung verleiht. Sie werden mit kleinen Schrauben und Metallklammern an der Metallfelge befestigt. Sie sind so angebracht, dass sie je nach Windlage angehoben oder abgesenkt werden können.

  Eine moderne Stahlwindmühle.

Vorbereitung der Website

• 6 Das Auffinden und Vorbereiten der Baustelle ist ein entscheidender Schritt bei der Schaffung einer funktionsfähigen Windmühle. Zuerst wird ein Gebiet mit einem vorherrschenden Wind von mindestens 24 km/h benötigt. Dann muss das Gebiet von Bäumen und anderen Strukturen gesäubert werden, die den Wind blockieren könnten. In einigen Fällen wird ein Erdhügel oder ein Betonsockel errichtet, um die Windmühle von der Oberfläche zu heben, um mehr Wind zu fangen.

Endmontage

• 7 Die Teile des Hauptkörpers werden zuerst verbunden. Sie werden am Boden verschraubt und dann senkrecht nach oben gehoben. Die äußeren Pole werden mit den Pleueln verbunden. Zur Stabilität sind Klemmen an jedem Gelenk verschraubt. Nachdem der Turm angehoben wurde, wird er lose mit dem festen Sockel verschraubt. Die nächsten Abspanndrähte werden vom Rahmen bis zum Boden aufgereiht und an Spannern und Bodenankern befestigt. Wenn die Struktur eben ist, werden die Schrauben angezogen und die Strukturintegrität getestet. In einigen Fällen ist eine Leiter in die Rahmenkonstruktion eingebaut, um den Zugang zum Ventilator oben zu ermöglichen, was die Reinigung und Wartung erleichtert.
• 8 Als nächstes werden das Lüfterrad, das Getriebe und die Hauptwelle befestigt. Das Getriebe wird zuerst geklemmt und mit der Turmspitze verschraubt. Die Hauptwelle wird dann in den Boden des Getriebes eingeführt. Als nächstes werden der Lüfter und seine angebaute Achse mit dem Getriebe verbunden. Schließlich wird das Heckteil am Getriebe befestigt. Die Pumpe wird dann an die Hauptwelle angeschlossen und die Windmühle ist betriebsbereit.

Qualitätskontrolle

Es können verschiedene Tests durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass jeder Teil der Windmühle die in der Entwurfsphase festgelegten Spezifikationen erfüllt. Die grundlegendsten davon sind einfache visuelle Inspektionen. Diese werden die meisten der offensichtlichen Produktionsfehler beseitigen. Da Windmühlen von Hand aufgestellt werden, durchläuft die Qualität jedes Teils eine zusätzliche Sichtkontrolle. Die Qualität der Verarbeitung, die in den Bau der Windmühle einfließt, wird in erster Linie für die Qualität des fertigen Produkts verantwortlich sein. Damit es auch im Betrieb effizient bleibt, sind regelmäßige Wartungskontrollen notwendig.

Die Zukunft

Windmühlen haben sich in den letzten hundert Jahren kaum verändert. Tatsächlich wird ein Grunddesign aus den 1870er Jahren noch heute verkauft. Die wichtigsten Verbesserungen haben sich bei den im Bauwesen verwendeten Materialien ergeben. Dieser Trend wird sich wahrscheinlich bei zukünftigen Windkraftprodukten fortsetzen. Die Zukunft der Windkraftnutzung liegt jedoch keineswegs in traditionellen Windmühlen. Die US-Regierung hat Millionen von Dollar für die Erforschung und Entwicklung von Windkraftanlagen zur Stromerzeugung ausgegeben. In Kalifornien sind bereits zahlreiche Windparks in Betrieb. Verschiedene andere Bundesstaaten und Städte haben Pläne, ähnliche Windparks zu errichten. Windkraft verspricht in Zukunft ein umweltfreundlicher Ersatz für fossile Energieträger zu sein.

Weitere Informationen

Bücher

Baker, T. Lindsay. Fachliteratur für nordamerikanische Windmühlenhersteller. University of Oklahoma Press, 1998.

Clegg, Alan John. Windmühlen. Hufeisen-Publikationen, 1995.

Hills, Richard L. Strom aus Wind:Eine Geschichte der Windmühlentechnologie. Cambridge University Press, 1994.

Nutte, Jeremy. Lob der Windmühlen. Circle Press Pubns, 1990.

Watt, Martin. Wasser- und Windkraft. Shire-Publikationen, 2000.

Perry Romanowski