Windmühle

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Einleitung

Windmühle (sprachgebräuchlich auch einfach Mühle), eine Maschine, die Windkraft in vielseitig verwertbare Energie umwandelt. Die Energie wird durch Einwirkung der Windkraft auf schräg gestellte Rotorblätter oder Flügel erzeugt, die strahlenförmig um eine Achse angebracht sind. Die sich drehende Achse kann im Prinzip ihrerseits mit Vorrichtungen zum Mahlen von Getreide, zum Pumpen von Wasser oder zur Erzeugung von elektrischem Strom verbunden sein. Im allgemeinen Sinne bezeichnet man diese Vorrichtung auch als Windmühle, wenn die Achse mit einem Gerät wie z. B. einer Pumpe oder einer Mahlmechanik gekoppelt ist. Wenn diese Maschine mit einem elektrischen Generator (siehe Elektromotoren und Generatoren) verbunden ist, bezeichnet man das gesamte Anlagensystem auch als Windkraftwerk.

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Die ersten Windmühlen

Windbetriebene Mühlen gibt es bereits seit dem Mittelalter. In Persien, dem heutigen Iran, baute man einfache Windmühlen vermutlich schon im 10. Jahrhundert. Sie dienten vor allem zur Bewässerung und zum Mahlen von Getreide. Bei den ersten Windmühlen war das Windrad mit Segeln horizontal gelagert und trieb eine vertikal stehende Achse an. Diese Vorrichtungen waren zwar nicht sehr leistungsstark, aber sie erleichterten den Menschen einige Arbeiten. Die dahinterstehende Technik verbreitete sich im Lauf der Zeit bis nach China und dem Mittleren Osten. Die ersten Windmühlen in Europa stammen aus dem 12. und 13. Jahrhundert. In Fachkreisen wird angenommen, dass diese Technik auch über die Kreuzzüge nach Europa gelangte.

Bei der im 13. Jahrhundert entwickelten deutschen Bock-Windmühle musste die gesamte Holzkonstruktion von Hand um einen Mittelpfosten gedreht werden, um die Flügel in den Wind zu stellen. Mit ihr trieb man Mechaniken zum Mahlen von Getreide sowie Vorrichtungen für andere Maschinen an. Die holländische Mühle (Turmmühle, Kappenmühle) entstand während des 15. Jahrhunderts. Sie bestand aus einem feststehenden Steinturm, auf dessen Spitze die drehbare, aus Holz konstruierte Haube bzw. Kappe das Windrad sowie den oberen Teil des Mühlengetriebes trug.

Alle früheren Windmühlen besitzen einige gemeinsame Merkmale: eine horizontal laufende Hauptachse, die aus der Haube oder dem oberen Teil des Mühlengebäudes herausragt, und von der vier bis acht Windflügel von jeweils drei bis neun Meter Länge strahlenförmig ausgehen. Die hölzernen Rahmen der Flügel sind entweder mit Segeltuch bespannt oder mit hölzernen Läden abgedeckt. Die Kraft der drehenden Hauptachse wird durch eine Reihe von Zahnrädern und Wellen auf die Mühle im unteren Teil des Gebäudes übertragen.

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Anwendungen und Verbesserungen

Zwischen dem 15. und dem 18. Jahrhundert erfüllten Windmühlen neben dem Mahlen von Getreide und der Bewässerung von Ackerland eine Vielfalt weiterer Aufgaben. Zu diesen gehörte das Abpumpen von Meereswasser aus Gebieten, die unter dem Meeresspiegel lagen, außerdem dienten Windmühlen zum Sägen von Holz, zur Papierherstellung, zum Ölpressen aus Samen und zum Mahlen unterschiedlicher Rohmaterialien. Insbesondere durch die Niederländer wurde der Windmühlenbau im 17. und 18. Jahrhundert gefördert. Bis zum 18. Jahrhundert hatten die Niederländer annähernd 9 000 Windmühlen gebaut.

Zu den wichtigsten technischen Verbesserungen der Windmühle zählt eine im Jahr 1745 erfundene mechanische Einrichtung, die den Flügelteil der Mühle automatisch der jeweiligen Windrichtung anpasst (so genannte Windrichtungsnachführung). Mit Hilfe dieser Konstruktion ließen sich die Flügel bei Wind aus unterschiedlichen Richtungen von selbst optimal in den Wind drehen. Im Jahr 1772 wurde ein Flügel entwickelt, der aus hölzernen Läden bestand. Die Schlitzöffnungen dieses Flügels konnten entweder von Hand oder automatisch in ihrer Größe verändert werden. Dadurch wurde eine gleich bleibende Drehgeschwindigkeit der Flügel bei wechselnder Windgeschwindigkeit möglich. Weitere Verbesserungen entwickelte man beispielsweise auch bei Bremsanlagen zum Anhalten des Windrades. Außerdem wurde die Form der Flügel weiterentwickelt. So verwendete man im 19. Jahrhundert propellerähnliche Tragflügel anstelle der herkömmlichen Flügel, um so die Leistung der Mühlen bei schwachem Wind zu erhöhen.

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Windkraftwerke

Mit Hilfe von Windkraftwerken wandelt man Windenergie in elektrischen Strom um – deshalb werden diese Kraftwerke auch als Windenergieanlagen bezeichnet. Man unterteilt diese Anlagen im Wesentlichen in zwei Kategorien: Anlagen mit horizontal laufender Achse und solche mit vertikaler Achse. Bei Anlagen mit horizontal laufender Achse ist an einem Achsenende ein zwei- oder mehrblättriger Rotor installiert, der über ein Getriebe mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Der Rotor wird zwecks optimaler Ausbeute mit Hilfe eines Computers in den Wind gedreht. Bei zu großer Windstärke wird der Rotor automatisch verriegelt. Die gebräuchlichste Konstruktion mit vertikal laufender Achse ist der so genannte Darrieus-Rotor. Diese Maschine ist von der Windrichtung unabhängig und sieht im Prinzip so ähnlich aus wie ein Schneebesen. Ein Darrieus-Rotor kann jedoch nicht von selbst anlaufen. Deshalb werden Darrieus-Rotoren mit leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert. Beim Savonius-Rotor stehen sich zwei gebogene, vertikal stehende Flügel gegenüber.