Windgenerator an Bord einer Yacht: Bauart, Qualität, Montage und Leistung

Von Klaus Krieger

Klaus Krieger ist begeisterter Blauwassersegler, seit über 30 Jahren Eigner einer Norlin 37 und hat unzählige Langtörns im Kielwasser. Klaus Krieger ist zudem Geschäftsführer und Gründer der superwind GmbH. Er und sein Team sind seit 1986 auf die Entwicklung und Herstellung von Windkraftanlagen und hochwertigen Windgeneratoren spezialisiert.

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Energiemanagement auf Yachten

Bei einer Langfahrt gibt es an Bord einer Blauwasseryacht verschiedene Ansätze, energietechnisch autark zu sein. Beispielsweise können als regenerative Energielieferanten Solarzellen, Schlepp- oder Windgeneratoren zum Einsatz kommen. Gleich vorweg: Sie zu vergleichen ist müßig, da jedes System für eine andere Situation gedacht ist und seine Berechtigung hat.

Dazu ein Beispiel: Solarzellen funktionieren vorwiegend bei Sonne, aber auch bei Flaute und unabhängig davon, ob die Yacht in Fahrt ist oder nicht. Der Windgenerator wiederum liefert nur bei Wind Energie, dafür aber auch bei bewölktem Himmel oder nachts und ebenfalls unabhängig davon, ob das Schiff in Fahrt ist. Schleppgeneratoren folgen wiederum einem ganz anderen Konzept. Ihnen ist das Wetter egal – allerdings funktionieren sie nur, wenn das Schiff in Fahrt ist. Bei langen Liegezeiten vor Anker ist das nachteilig. Kurzum: Man würde Äpfel, Birnen und Bananen vergleichen. Daher geht es im Folgenden nur um Windgeneratoren ohne Bezug zu anderen Varianten der Energieerzeugung.

Bei der Energiegewinnung kommen verschiedene Systeme zum Einsatz.

Windgeneratoren auf Yachten

Die Verbreitung von Windgeneratoren auf Yachten hat in den vergangenen Jahrzehnten massiv zugenommen. Waren sie früher nur auf Blauwasseryachten zu finden, sind sie inzwischen auch auf vielen Fahrtenyachten zu sehen, die vor der Haustür segeln. Ich denke, das liegt daran, dass sie wenig Platz benötigen, bezahlbar und bei entsprechender Qualität in der Verarbeitung auch annähernd wartungsfrei sind. Mit anderen Worten: Sie erzeugen unkompliziert Strom — zumindest dann, wenn der Wind weht. Und das ist in den meisten Fahrtgebieten durchaus der Fall — von einem Törn in den Kalmen mal abgesehen.

Hier wird beim Segeln unkompliziert Strom erzeugt. Foto: Wolfgang Barkemeyer.

Ist die Anschaffung eines Windgenerators geplant, reicht es bei weitem nicht aus, nur auf die zu erwartende Leistung zu schauen. Vielmehr ist ein Windgenerator ein relativ komplexes Gesamtsystem aus verschiedenen Komponenten. Die Beschaffenheit der Rotorblätter spielt dabei genauso eine Rolle wie die Verarbeitung und die Qualität der Einzelteile. Nicht zu vergessen: die Lade-Regulierung oder der Umgang mit Sturm.

Gerade auf Blauwasseryachten, die in extreme Bedingungen geraten können, ist es von hoher Bedeutung, ein zuverlässiges System an Bord zu haben. Welche Komponenten in diesem Gesamtsystem welche Rolle spielen, möchte ich daher nachstehend aufzeigen.

Der Rotor des Windgenerators

Der Rotor ist die wichtigste Einheit am Windgenerator, da die Energieausbeute maßgeblich und direkt von seiner Bauart abhängt. Windgeneratoren nutzen die kinetische Energie des Windes und wandeln diese in elektrische Energie um. Dabei spielen die Oberfläche der Blätter und der Durchmesser des Rotors eine Rolle. Eine Verdopplung des Durchmessers geht in der Regel mit einer Vervierfachung der Fläche einher. Je mehr Fläche ich dem Wind entgegenstelle, desto mehr Energie kann erzeugt werden. Allerdings sollte man dabei auch bedenken, dass gerade auf Fahrtenyachten der Platz zur Verfügung stehen muss, um einen großen Rotor unterzubringen.

Für alle Windgeneratoren gilt eine wichtige Faustregel:

Wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, verachtfacht sich der Energieinhalt des Windes.

Das bedeutet, dass die zur Verfügung stehende Energie nicht nur von der Fläche des Rotors abhängig ist, sondern insbesondere von der Windgeschwindigkeit – und das sogar in der dritten Potenz.

Der Rotor des Windgenerators

Konkret heißt das: Hat ein Windgenerator bei 10 Knoten Wind beispielsweise eine Leistung von 25 Watt, hat er bei der doppelten Windgeschwindigkeit von 20 Knoten schon eine Leistung von 200 Watt. Bei zunehmendem Wind auf 40 Knoten wären wir dann bei der enormen Leistung von 1.600 Watt. Das ist eine große Herausforderung an Konstrukteur und Hersteller, weil sehr hohe Windgeschwindigkeiten zwar viel Energie liefern, aber auch zu einer extremen Belastung sämtlicher Bauteile des Windgenerators führen.

Wird die Belastung zu groß, weil der Rotor immer schneller dreht (auch „Overspeed“ genannt) und weil auch die Biegebelastung der Rotorblätter zunimmt, muss reagiert werden, da der Windgenerator selbst, gegebenenfalls sogar die Batterien, beschädigt würden. Von daher brauche ich eine Möglichkeit den Windgenerator zu stoppen. Dazu gleich mehr.

Die Leistung eines Windgenerators

Die Tatsache, dass eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit zu einer Verachtfachung der Leistung führt (auch kubisches Verhältnis genannt), lässt sich auch anders herum betrachten: Gibt ein Hersteller beispielsweise an, dass die Maximalleistung seines Windgenerators bei 30 Knoten (7 Windstärken) Wind liegt und dann 360 Watt beträgt, bleibt auf Basis der oben genannten Faustregel, bei einer Halbierung des Windes auf 15 Knoten (gute 4 Windstärken) nur noch ein Achtel der Maximalleistung übrig. Das sind 45 Watt. Nimmt der Wind nochmals um die Hälfte auf 7,5 Knoten (schwache 3 Windstärken) ab, bleibt sogar nur noch ein Vierundsechzigstel der Maximalleistung übrig. In unserem Beispiel bleiben dann noch 5,6 Watt, rund 0,5 Ampere bei einer 12-Volt-Anlage.

Schnell wird deutlich, dass Versprechungen mancher Hersteller, ihre Generatoren würden bei besonders niedriger Windgeschwindigkeit anlaufen und Strom erzeugen, selbst wenn sie wahr wären, in der Praxis keinen nennenswerten Energieertrag zur Folge hätten. Physikalische Gesetze lassen sich nicht überlisten.

Auch unter extremen Bedingungen sollte der Windgenerator funktionieren.

Das kubische Verhältnis gilt übrigens auch für den Umstand, dass der Windgeber einer Yacht üblicherweise am Masttopp befestigt ist, der Windgenerator sich aber oft am Heck in rund drei Metern Höhe über Deck befindet. Verwirbelungen durch Decksaufbauten, Sprayhood oder Bimini können dort zu einer Verringerung der Windgeschwindigkeit auf der Höhe des Windgenerators führen.

Ebenso führt der Windgradient zu einer Verringerung. Das ist der Effekt, dass die Windgeschwindigkeit wegen der Schichtung der Luftmoleküle von der Höhe zum Boden abnimmt. Ist die Windgeschwindigkeit am Windgenerator beispielsweise nur zehn Prozent geringer als am Masttopp, reduziert sich die im Wind enthaltene Leistung – der oben genannten Formel folgend – um 27 Prozent! (100 Prozent abzgl. 10 Prozent = 90 Prozent. Werden 90 Prozent verdreifacht, ergibt das 73 Prozent [0,9³ = 0,729]). Mit anderen Worten: Das sind nur 73% dessen, was der Windgenerator geleistet hätte, wenn die im Topp gemessene Windgeschwindigkeit voll bei ihm unten angekommen wäre.

Dieses kubische Verhältnis von Leistung und Windgeschwindigkeit zu verstehen, ist wichtig, weil wir es als Menschen im Alltag gewohnt sind, dass die meisten Dinge in einem linearen Verhältnis zueinander stehen. Beispiel: Wenn etwa der Wassermacher doppelt so viel Wasser aufbereiten soll, dann braucht er auch doppelt so viel Energie.

Stoppen des Windgenerators

Es gibt viele Gründe – nicht nur Sturm –, den Windgenerator anzuhalten. Wenn er während des Segelns betrieben wird, empfehle ich je nach Bauart der Yacht und Montageort des Windgenerators, ihn vor Manövern abzuschalten. Schnell schlägt beim Reffen mal eine Leine und kommt in den Rotor, oder es kommt dabei viel Wasser von vorne über und trifft die Rotorblätter. Hier gehört es zu guter Seemannschaft, die Sicherheit im Auge zu behalten und verantwortlich zu handeln.

Beschädigtes Rotorblatt eines Windgenerators. Foto: Kai Hebenstreit

Andere Gelegenheiten, bei denen man den Windgenerator vielleicht abstellen möchte, sind zur Inspektion, im Hafen, wenn die Batterien voll sind oder aber wenn der Wind zu stark wird. Leider werden auch immer noch Windgeneratoren angeboten, die mangels der erforderlichen Qualität unangenehme Geräusche verursachen. Da liegt der Gedanke des Abschaltens ebenfalls nicht fern.

Längst sind auch nicht alle Windgeneratoren sturmsicher, und je nach Hersteller müssen sie ab einer vorgegebenen Windstärke gestoppt werden. Bei den meisten Modellen liegt die Grenze zwischen 25 und 30 Knoten. Das »Stoppen« kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen:

Aus dem Wind drehen des Windgenerators

Bei dieser Variante wird der Rotor aus dem Wind gedreht und festgebunden. Das ist eine nicht ganz ungefährliche Methode, da sich dazu ein Crewmitglied dem auf Hochtouren laufenden Gerät annähern muss. Manche Eigner nutzen den Bootshaken und drehen damit dem Windgenerator am Flügel aus dem Wind, um ihn dann festzubinden. Ich persönlich halte das auf See für viel zu gefährlich, da die Gefahr sich zu verletzen oder gar über Bord zu fallen unverhältnismäßig hoch ist. Außerdem besteht immer die Gefahr, mit dem Bootshaken die Rotorblätter zu berühren und sie damit dauerhaft zu schädigen.

Dieser Windgenerator wurde festgebunden.

Elektronisches Abschalten des Windgenerators

Manche Anbieter verfahren so, dass eine Elektronik den Windgenerator überwacht und diesen ab einem bestimmten Schwellenwert der Drehzahl und/oder der Leistung elektronisch abschaltet.

Hierbei wird der Windgenerator elektrisch kurzgeschlossen. Der Kurzschluss stellt für den Generator die höchstmögliche elektrische Belastung dar und führt dazu, dass die Rotordrehzahl deutlich abnimmt. Durch die Verlangsamung werden die Rotorblätter aerodynamisch sehr viel schlechter angeströmt, wodurch deren Antriebsmoment einbricht. Selbst bei noch weiter zunehmendem Wind, läuft der Rotor in der Regel nur langsam, beschleunigt nicht nennenswert weiter und befindet sich so in einem sicheren Zustand.

Ganz zum Stillstand kommt der Windgenerator dabei allerdings nicht, weil der kurzgeschlossene Generator die Drehung benötigt, um das bremsende Gegenmoment aufzubauen. Wichtig ist es, in diesem Zusammenhang zu wissen, dass das elektrische Bremsmoment eines Generators grundsätzlich begrenzt ist. Übersteigt das im Generatorbetrieb entstehende Antriebsmoment bei viel Wind das Bremsmoment des Generators, ist ein Abbremsen nicht mehr möglich. Die Folge wäre Overspeed und das könnte fatal sein.

Außerdem bringt eine Elektronik immer ein gewisses Risiko mit sich. Die salzige Blauwasser-Umgebung ist nicht ideal. Zudem kann sie im Gewitter durch Überspannung versagen.

Stoppschalter für den Windgenerator

In meinen Augen ist es daher ratsam, den Windgenerator weder aus dem Wind zu drehen noch elektronisch abzuschalten. Stattdessen würde ich ihn händisch per Schalter abschalten, wenn es die Windverhältnisse noch zulassen.

Bei dieser Variante wird der Rotor mittels eines Stoppschalters gestoppt. Wird der Schalter umgelegt, wird der Windgenerator kurzgeschlossen. Dadurch entsteht ein Magnetfeld im Generator, welches das Drehen erschwert. Der Generator bleibt bei dieser Methode zwar nicht vollständig stehen, aber er dreht sich nur noch langsam. Der Preis für diese Investition ist äußerst überschaubar und die Wirkung groß.

Stoppschalter für den Windgenerator

Einziger Haken: Diese Variante funktioniert bei manchen Herstellern nur bei sehr niedrigen Windgeschwindigkeiten. Unter energetischen Aspekten ist dieses zu „frühe“ Abschalten kontraproduktiv: Man hat einen Windgenerator an Bord, und gerade, wenn ordentlich Wind weht und sehr gut Strom erzeugt werden könnte, wird er abgeschaltet.

Sturmsicherheit durch Rotorblattverstellung

Eine andere Variante, Schäden durch Overspeed bei Sturm zu verhindern, ist, die zu hohe Energie gar nicht bis zum elektrischen Generator vordringen zu lassen. Bei kleinen Windgeneratoren, die an Land eingesetzt werden, gibt es Systeme, bei denen sich bei Sturm der ganze Rotor aus dem Wind dreht oder in die sogenannte Hubschrauberstellung hochkippt. Diese Systeme funktionieren an Land leidlich, an Bord sind sie aber wegen der bei diesem Wetter unvermeidlichen Seegangsverhältnisse und Schiffsbewegungen gar nicht einsetzbar. Deshalb wird diese Technik für Yachten auch gar nicht angeboten.

Sehr gut funktioniert dagegen die sogenannte Rotorblattverstellung, die heute bei allen großen Windkraftanlagen Standard ist. Dieses System gibt es auch bei kleinen Windgeneratoren für den Bordeinsatz.

Bei diesem Windgenerator verstellen sich die Blätter mechanisch.

Bei Windgeneratoren mit Rotorblattverstellung werden durch eine spezielle, in der Rotornabe gekapselte Mechanik unter Zuhilfenahme von Luft- und Fliehkräften die Winkel der Rotorblätter zum Wind verstellt, wenn der Wind zunimmt. So kann der drohende Overspeed abgefangen werden. Der Rotor dreht dann mit einer sicheren Drehzahl weiter und produziert auch weiterhin Energie. Die Winkel der Rotorblätter werden automatisch und kontinuierlich so verändert, dass die Leistung die konstruktiv vorgesehene Nennleistung nicht überschreitet.

Innenaufnahme: die Mechanik der Blattverstellung

Dadurch, dass das Drehen der Blätter mechanisch erfolgt, reagiert das System in Sekundenbruchteilen. Das ist von großem Vorteil. Denn jeder Eigner, der mit regelmäßigen Böen auf seinem Törn zu tun hat oder mit mehr als 25 Knoten scheinbarem Wind unterwegs ist, profitiert davon. Dabei sind auch Fallböen, wie sie beispielsweise an etlichen Ankerplätzen in der Karibik, dem Mittelmeer oder auf den Kapverdischen Inseln vorkommen, nicht zu unterschätzen.

Hohe Beanspruchung: Auf den Kapverden gibt es starke Fallböen.

Schon allein aus Gründen der Sicherheit darf es unter keinen Umständen zu Overspeed kommen. Dazu gehört auch der unkontrollierte Leerlauf bei hohen Windgeschwindigkeiten. Er kann entstehen, wenn beispielsweise durch einen Fehler in der elektrischen Verbindung der Windgenerator ohne Last läuft (keine Verbindung zur Batteriebank). Die dann entstehenden sehr hohen Drehzahlen führen dazu, dass die Rotorblätter den Fliehkräften nicht mehr standhalten, brechen und wegfliegen. Wir reden hier von Drehzahlen von rund 2.000 Umdrehungen pro Minute und mehr! Dies wäre eine äußerst gefährliche Situation, denn es könnten Personen davon getroffen werden.

Jeder seriöse Hersteller muss daher die Frage beantworten können, auf welche Weise sein Windgenerator gegen eine solche Überdrehzahl geschützt ist. Automatische Systeme sind in jedem Fall solchen vorzuziehen, die ein Eingreifen von Hand erfordern. Systeme zur automatischen Verhinderung von Overspeed sind das bereits beschriebene Abschalten durch den elektronischen Regler des Windgenerators. Noch besser ist die automatische Rotorblattverstellung, da sie rein mechanisch den Rotor immer im zulässigen Drehzahlbereich hält und nicht auf das Funktionieren von Elektronik und Elektrik angewiesen ist.

Yacht im Sturm. Der Windgenerator (roter Kreis) muss sturmsicher sein.

Und überhaupt: Bei Sturm habe ich als Segler eigentlich etwas anderes zu tun, als mich um den Windgenerator zu kümmern, weil er zu hochtourig dreht – er sollte diesbezüglich zuverlässig automatisch funktionieren.

Montage des Windgenerators

Die Montage des Windgenerators sollte idealerweise an einem eigenen Mast am Heck erfolgen. Dabei sollte die Höhe so gewählt werden, dass sich der Windgenerator deutlich über den Köpfen der Crew befindet. Von einer Montage am Bug oder im Mast ist abzuraten.

Am Bug kann sich das Gerät zu leicht mit auswehenden Schoten verheddern, und am Mast wird zu viel Gewicht in der Höhe montiert, was sich ungünstig auf die Stabilität des Schiffes auswirkt. Hier sei auf die Faustregel „Ein Kilo zusätzliches Gewicht im Masttopp muss mit fünf Kilo Gewicht am Kiel ausgeglichen werden, wenn die Stabilität des Schiffes erhalten bleiben soll“ verwiesen.

Bei einer Ketch kann der Windgenerator ggf. am Besanmast montiert werden.

Nennt man eine Ketsch sein eigen, bietet es sich allerdings an, den Windgenerator etwa auf halber bis zwei Drittel Höhe am Besan zu montieren. Freude macht es dem Eigner aber nur mit einem Windgenerator, der bereits eine Körperschallentkopplung eingebaut hat. Diese dient dazu, Vibrationen und magnetisch bedingte Laufgeräusche nicht auf das Schiff zu übertragen. Sie ist so konstruiert, dass der Windgenerator gegenüber seinem fest am Mast oder an der Halterung zu verschraubten Verbindungsstück (Mastaufnahme) keine metallische Verbindung hat.

Dieser Windgenerator ist nicht schallentkoppelt.

Idealerweise wird dies etwa durch eine Lagerung in speziell an den Frequenzbereich des Generators angepassten weichen Elastomer-Ringen erreicht. Diese Bauform ist sehr effizient, nimmt nur geringen Raum ein und erlaubt es, die Elastomer-Ringe vor schädlichem UV-Licht zu schützen. Gegenüber den verbreiteten komplett in Gummi gelagerten Masten, besteht ein weiterer Vorteil darin, dass schon die Übertragung der Schwingungen auf den Mast selbst verhindert wird und er nicht als Resonanzkörper angeregt werden kann.

Bei Generatoren ohne eingebaute Körperschallentkopplung ist es wichtig zu beachten, dass der Mast des Windgenerators und eventuelle Streben mit dicken Gummiplatten akustisch vom Schiff entkoppelt werden. Andernfalls übertragen sich bei der Rotation entstehende Vibrationen in das Schiffsinnere und können – je nach Montageort – den Schlaf der Crew stören.

Mit diesem dicken Gummi wird der Windgenerator schallentkoppelt.

Übrigens: Auf einem Boot sind die auf den Windgenerator einwirkenden Kräfte für die Dimensionierung des Masts ziemlich unwichtig. Entscheidend ist, dass sich Crewmitglieder daran festhalten werden und er so stabil ausgelegt werden muss, dass dies möglich ist. Für den Windgenerator reich die Stabilität dann allemal.

Verkabelung des Windgenerators

Die Verkabelung sollte je nach Entfernung zur Batteriebank entsprechend dimensioniert werden, um Verluste durch zu geringe Kabelquerschnitte zu vermeiden (ein Teil der Energie wird sonst in Wärme umgewandelt). 10 mm² Kabelquerschnitt sollten bei einer 12-Volt-Anlage auf einer Fahrtenyacht das Minimum sein. 16 mm² Kabelquerschnitt sind besser.

Wichtig: Je größer der Kabelquerschnitt, desto besser ist auch die Bremswirkung mittels Stoppschalter.

Energiemanagement

Das zum Windgenerator gehörende Energiemanagement ist ebenfalls ein sehr wichtiges Thema, das oft unterschätzt wird. Die Energie zu produzieren, ist das eine. Sie zu verwalten, das andere. Ich denke, es ist leicht nachvollziehbar, dass ein Windgenerator sehr unstet Energie liefert. Kommt plötzlich eine starke Böe, die den Wind in seiner Geschwindigkeit verdoppelt, verachtfacht sich – wie vorstehend erläutert – der Energiezufluss. Ist die Batterie dann fast vollständig geladen, brauche ich ein System, das dies erkennt und die überschüssige Energie abtransportiert.

Immer mal wieder liest man in Büchern von Weltumseglern, dass sie alle möglichen Verbraucher einschalten, um überschüssige Energie aus dem Windgenerator loszuwerden, weil die Batterien voll sind. Das ist nicht mehr zeitgemäß! Es gibt genug Windgeneratoren am Markt, die überschüssige Energie abbauen können. Die Rotorblattverstellung ist dabei nur ein Schritt. Denn auch mit weggedrehten Rotorblättern wird immer noch Energie geliefert.

Ich brauche folglich ein Energiemanagement, das den Energiezufluss gegebenenfalls abbaut, ohne dass die Akkus geschädigt werden. Das gilt auf hoher See genauso wie im Hafen, wenn das Schiff für ein paar Tage bei eingeschaltetem Windgenerator verlassen wird.

Lastwiderstand

Der Abbau überschüssig produzierter Energie kann über Lastwiderstände erfolgen. Sie wandeln die überschüssige Energie in Wärme um und beugen dadurch einer Beschädigung der Batterien vor. Lastwiderstände sind, wie der Name schon sagt, Widerstände. Sie haben ein Metallgehäuse mit einer rippenartigen Struktur. So entsteht eine große Oberfläche, über die Wärme abgegeben wird.

Achtung: Lastwiderstände können sehr heiß werden und daher sollte der Einbauort sorgsam gewählt werden. Manche Eigner bringen sie im Motorraum unter – eine feuerfeste Verkleidung vorausgesetzt.

Laderegler des Windgenerators

Damit das alles funktioniert, wird zwischen Windgenerator und Batterie ein Laderegler geschaltet, der für gewöhnlich beim Hersteller gleich mitbezogen werden kann und folglich auch zum System passt. Der Laderegler sollte über zwei getrennte Ausgänge für die Starter- und die Verbraucherbatterie verfügen. Jede Ausgangs-Leitung gehört mit einer ausreichend dimensionierten Sicherung abgesichert.

Windgenerator-Laderegler mit zwei Ausgängen

Was die einzelnen Hersteller unter einem Laderegler verstehen, ist sehr unterschiedlich. Manche Hersteller lösen das Problem, die Batterie vor Überladung zu schützen, einfach dadurch, dass der Controller während des Ladevorgangs die an der Batterie anliegende Spannung misst. Überschreitet die Spannung einen voreingestellten Grenzwert (Ladeschlussspannung), wird der Generator elektronisch gestoppt. Dieses Feature ist im Controller oftmals für den Schutz vor Overspeed sowieso vorhanden. Richtig ist, dass die Batterie so keinesfalls überladen wird. Sie wird aber leider auch nicht wirklich vollgeladen. Zumindest dann nicht, wenn bei viel Wind der Generator einen hohen Strom liefert und gerade dadurch in diesem Moment die Spannung an den Batterieklemmen nach oben treibt. Dann schaltet der Windgenerator laut vernehmlich ab, um ein paar Minuten später selbsttätig und ebenfalls gut hörbar wieder anzulaufen, um es erneut zu probieren. Dieser Vorgang kann sich häufig wiederholen und kann bei Nacht vor Anker liegend sehr stören.

Andere Laderegler sind aufwendiger gebaut und funktionieren so, dass sie tatsächlich eine elektronisch geregelte Spannung an die Batterie abgeben und die Batterie somit vollständig laden können. Wenn nun vom Windgenerator aktuell mehr Energie geliefert wird als die Batterie aufnehmen kann, ohne mit zu hoher Spannung geladen zu werden, leitet der Regler durch sogenannte Pulsweitenmodulation (PWM) die überschüssige Energie an einen Lastwiderstand ab.

Es wird also die vom Windgenerator windabhängig in großer Variation gelieferte Energie zwischen Batterie und Lastwiderstand stetig so verteilt, dass die Batterie korrekt geladen, aber nicht überladen wird. Dabei bleibt der Windgenerator insgesamt immer passend zum aktuellen Wind elektrisch belastet. Würde der Laderegler die überschüssige Energie nicht dem Widerstand zuführen, hätte dies eine geringere elektrische Last für den Windgenerator und einen ungewünschten Drehzahlanstieg zur Folge.

Hinweis: Die Ausgangsspannung am Laderegler muss zum Batterietyp passen und entsprechend den Vorgaben des Batterieherstellers einstellbar sein. Bei der Bestellung sollte der Batterietyp gleich mit angegeben werden, damit der Laderegler passend konfiguriert werden kann. Für einen seriösen Hersteller ist das ein ganz normaler Vorgang. Zudem sollte der Laderegler so konstruiert sein, dass die Spannung angepasst werden kann. Etwa bei einem Wechsel der Batterien.

Bei der Verwendung von Lithium-Ionen-Akkus auf einer Yacht ergeben sich besondere Anforderungen an den Laderegler. Eine der wichtigsten ist, dass der Laderegler den Windgenerator autonom kontrollieren kann. Was bedeutet dies? Ein korrekt aufgebautes Lithium-Ionen-System (LiFePO4) verfügt über ein Batterie-Management-System (BMS), das unter bestimmten Bedingungen in der Lage sein muss, die Batterie zu ihrem Schutz vollständig von Verbrauchern und Ladegeräten zu trennen. Laderegler für Windgeneratoren werden aber bis auf eine Ausnahme für ihren Eigenverbrauch aus der Batterie gespeist. Trennt das BMS nun den Laderegler von der Batterie, ist dieser ohne Funktion und nicht mehr in der Lage, den Windgenerator zu kontrollieren. In der Regel wird der Windgenerator dann lastfrei in hohe Drehzahlen bis hin zu Overspeed hochtouren, eine hohe Leerlaufspannung erzeugen und dabei womöglich seinen Laderegler zerstören, weil dessen Bauteile für die nun aufgetretene hohe Spannung gar nicht ausgelegt waren.

Ein Laderegler, der seine Versorgung direkt vom Windgenerator erhält, ist nicht nur in Flautenzeiten sparsamer, sondern schickt bei einer Trennung von der Batterie die gesamte Energie an den Lastwiderstand und begrenzt so die Spannung und die Drehzahl des Windgenerators. Die Einstellung der Ladeschlussspannung erfolgt auch bei diesem Regler nach den Vorgaben des Batterieherstellers.

Ein weiterer wichtiger Punkt ist, dass der Windgenerator auch dann bedenkenlos an Bord sein kann, wenn die Verbindung zur Batterie unterbrochen wird. Das kann eine defekte Leitung oder eine durchgebrannte Sicherung sein. Es gibt Modelle, die in so einem Fall Schaden an der Turbine nehmen, wenn der Wind zu stark wird. Hierauf würde ich ebenfalls achten wollen.

Mit so einer Lösung kann der Windgenerator völlig autark arbeiten und es muss nicht durch den Skipper eingegriffen werden. Oder anders zusammengefasst: Die Blattverstellung verhindert den Overspeed und mindert gleichzeitig den Energiefluss, während der Laderegler den verbliebenen Energiefluss – inklusive der Spitzen aus Böen – auf die Batterie oder die Lastwiderstände verteilt. Ganz nach Bedarf.

Lärmpegel bei Windgeneratoren

Je schneller der Windgenerator dreht, desto hörbarer ist er. Viele Segler kennen das typische Zisch- und Pfeifgeräusch, das entsteht, wenn der Windgenerator hochtourig läuft. Diesbezüglich gibt es immer wieder Kritik von Nachbarliegern, die monieren, dass die Rotoren zu laut sind. Das muss nicht mehr sein. Die Technik hat sich inzwischen weiterentwickelt und einige Hersteller bieten sogenannte Flüsterblätter an (Silent Blades). Bei diesen Rotorblättern findet man auf den einzelnen Blättern kleine, erhöhte Dreiecke, die für einen akustischen Abriss sorgen und so die Blätter leiser machen.

Dazu ein Zitat von Weltumsegler Sönke Roever aus seinem Buch „Blauwassersegeln kompakt“: „Wir haben während unserer Weltumsegelung beide Blatt-Varianten an Bord eingesetzt und können sagen, dass es einen deutlichen Unterschied zwischen herkömmlichen Rotorblättern und Flüsterblättern gibt. Wir würden nur noch Letztere zum Einsatz kommen lassen. Sie sind subjektiv betrachtet etwa halb so laut.“

Einfluss: Wahrer und Scheinbarer Wind

Als einen anderen Kritikpunkt hören wir auf Messen immer mal wieder, dass der Windgenerator auf einer Weltumsegelung entlang der Barfußroute eher wertlos ist, weil er in den Passatwindbreiten auf See angeblich nicht gut nutzbar ist. Dort kommt der wahre Wind beim Segeln oftmals von achtern. An Bord selbst weht jedoch nur der scheinbare Wind, der um die Fahrtwindstärke geringer ist. Das reicht in den Augen der Kritiker nicht aus, um genügend Strom zu erzeugen. Diese Aussage stimmt so nicht ganz.

Auf der Barfußroute weht oft achterlicher Wind. Foto: Wolfgang Barkemeyer

Dazu ein Beispiel: Angenommen der Wind weht mit 20 Knoten von achtern und das Schiff macht fünf Knoten Fahrt. Dann bleiben netto 15 Knoten Wind an Bord übrig. Gemäß der folgenden Grafik erzeugt der genannte Windgenerator dann immer noch fünf Ampere Strom. Über 24 Stunden sind das 120 Ah! Das ist auf Schiffen, die unter Windfahne segeln und damit keinen Strom für den elektrischen Autopiloten brauchen, meistens mehr als der Tagesbedarf.

Ladekurve eines Windgenerators – Quelle: Superwind .

Zudem ist zu beachten, dass die Kurve steil ansteigt, wenn der Wind weiter zunimmt. Legt der scheinbare Wind um nur fünf Knoten zu, steigt der erzeugte Strom auf 15 A an. Das ist die dreifache Menge!

Nicht vergessen sollte bei dieser Kritik, dass die meisten Langfahrer auf einer Weltumsegelung eine große Zeit des Törns vor Anker verbringen. Dabei liegt die Yacht in der Regel im Wind, und der scheinbare Wind entspricht dem wahren Wind. Das bedeutet: Bei 15 Knoten Wind werden die Batterien schon ordentlich geladen. Nicht selten weht der Wind auch stärker. Ich kenne genug Segler, die an diversen Ankerplätzen in der Passatwindzone stets volle Batterien gehabt haben.

Energietechnisch autark an den schönsten Orten der Welt.

Fazit

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Batterien zu laden — wobei sich ein Blauwassersegler nicht auf eine Möglichkeit alleine verlassen sollte. Vielmehr muss in Abhängigkeit von Energiebedarf und Fahrtgebiet eine sinnvolle Kombination aus den verschiedenen Möglichkeiten gewählt werden. Der Windgenerator ist dabei eine wertvolle Ressource. Nicht zuletzt auch deshalb, weil er nach der Anschaffung und Installation jahrelang keine weiteren Kosten verursacht. Mehr noch: Er lädt zuverlässig die Akkus der Yacht. Am Ankerplatz oder auf See. Bei Sonne, bei Regen, bei Sturm. Und auch bei Abwesenheit der Crew.

Wer sich für einen Windgenerator entscheidet, sollte wie geschildert nicht nur auf die Leistung des Windgenerators schauen. Viel wichtiger ist es, das gesamte System zu betrachten. Dazu gehören auch die Rotoren-Technik, die Effizienz des Generators, die Lade-Regulierung, sichere Wege, den Windgenerator zu starten und zu stoppen, und die Sicherheit bei Sturm samt des Umgangs mit überschüssiger Energie. Werden die richtigen Komponenten gewählt, habe ich ein System an Bord, das in den extremsten Bedingungen zuverlässig funktioniert – und das über eine sehr lange Zeit und völlig autark! Genau das sollte der Anspruch eines jeden Fahrtenseglers sein. In diesem Sinne: Fair winds!

Weitere Infos auch unter www.superwind.com

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AndreasThomas SV RødspættenAndreas Haensch Recent comment authors
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Andreas Haensch
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Andreas Haensch

2006 wechselten wir zum *Superwind* und sind seit 2007 damit durchgehend und störungsfrei auf der Blauwasserroute unterwegs. Zu diesem Modell kamen wir, weil damals die Konkurrenz noch sehr bis schrecklich laut war, auch überzeugte das Konzept der Rotorblattverstellung. Seither voll zufrieden, möchten ihn nicht missen, sorgt er doch im Zusammenspiel mit 400Wp Solarpaneelen für autarke Stromversorgung bei unserem 2 Personenhaushalt auf 42′ Monohull … einschließlich Großverbrauchern wie Wassermacher oder Autopilot. – Unsere Faustregel zum Ertrag: scheinbare Windstärke minus 10 ergibt Batterieeintrag in Ampere. Also liefert er nicht immer großartig, aber gerade dann, wenn der Solarertrag wegen Schlechtwetter, das oft mit… Mehr lesen »

Thomas SV Rødspætten
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Thomas SV Rødspætten

Vorausgeschickt, ich segle vorwiegend in Nord- und Ostsee. Boot ist eine Noordkaper 35 PH Ketch. Nach eingehender Lektüre dieses sehr guten Artikels komme ich zum Schluss, dass für meine Bedürfnisse ein WG nicht in Frage kommt. Ich werde mich mit dem “SailingGEN” sowie Solar-Panels ausrüsten. Genügend Akku-Kapazität ist sowieso an Bord.
Gründe für diese Entscheidung liegen in der hier beschriebenen Problematik und dafür ist mir die Windgeneratoren Energiequelle zu kompliziert. Und komplexe Systeme an Bord vermeide ich wo immer möglich.
Sonst aber, Kompliment für diesen Fachartikel.

Andreas
Guest
Andreas

@ Thomas Ich kann nicht erkennen, daß ein Hydro-Generator weniger Aufwand erfordert als Installation und Betrieb eines Windgenerators … im Gegenteil. Einmal montiert kann man einen guten WG sich selbst überlassen, Tag und Nacht und vor allem auch am Ankerplatz. – Allein “Meilenfresser” 😉 sind mit einem HG gut bedient.