Kurs: Technik, Energie und Nachhaltigkeit | OnCourse UB

  • Lektion 3

    • Technischer Betrieb und Komponenten einer Windkraftanlage

      Eine moderne Windkraftanlage besteht aus dem Fundament, Turm, Rotornabe, Rotorblättern und der Gondel, in der sich die komplette Technik der Stromerzeugung befindet. Dazu zählen vor allem das Getriebe und der Generator.

      Die meisten Windkraftanlagen sind sogenannte Auftriebsläufer -eine Anlage, die aufgrund des aerodynamischen Auftriebsprinzips rotiert. Als Gegensatz dazu gibt es noch die Widerstandsläufer. Diese werden im senkrechten Winkel gegen den Wind (Beispiel Savonius Rotor, Persische Windmühle) ausgerichtet. Sie entnehmen dem Wind die Leistung nach dem Widerstandsprinzip.
      Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf die Auftriebsläufer:

    • Auftriebskraft

      Grundsätzlich gilt: Die Auftriebskraft nimmt mit dem Quadrat der Windgeschwindigkeit v, mit der Tragfläche A, der Luftdichte ρ und dem Auftriebsbeiwert cA zu. Sie wird wie folgt berechnet (vgl.: Bundesverband Windenergie):


      Durch die Anströmverhältnisse und die Energieumwandlung ist nicht die gesamte physikalische Energie des Windes nutzbar. Das nach dem deutschen Physiker Albert Betz benannte Betz´sche Gesetz besagt, dass jede Windkraftanlage maximal 59% des anströmenden Windes entnehmen kann. Durch die Energieumwandlung kommt es zu weiteren Verlusten, so dass maximal 45% der Windenergie ins Netz gespeist wird.


      Physikalische Berechnung der Windleistung (Bundesverband Windenergie) 

      Die Windenergieanlage nutzt die im Wind enthaltene Leistung und wandelt diese mit dem Windrotor erst in mechanische und dann über einen Generator in elektrische Energie um. Jede bewegte Masse m (z.B. der Wind, der um die Rotorfläche streicht) enthält kinetische Energie Ekin. Sie ist gleich der Hälfte der Masse des Körpers mal dem Quadrat der Geschwindigkeit v.


      Der Luftdurchsatz, auch Massenstrom ṁ genannt, der in einer bestimmten Zeit durch die von den Rotorblättern überstrichene Fläche eines Windenergierotors (so genannte Rotorebene) strömt, kann durch die Multiplikation von Rotorfläche, Luftdichte und Windgeschwindigkeit zum Quadrat berechnet werden:


      Die Leistung P ist gleich der Energie E pro Zeiteinheit. Somit ergibt sich für die Leistung des Windes:


      Da der Luftdurchsatz proportional und die Energie des Windes vom Quadrat der Windgeschwindigkeit abhängig ist, ist die Leistung des Windes von der dritten Potenz der Geschwindigkeit abhängig. Somit ist der entscheidende Faktor für die Leistung des Windes seine Geschwindigkeit. In den vergangenen zehn Jahren hat sich die Nennleistung von Windkraftanlagen durch den Bau von höheren Anlagen und größeren Rotordurchmessern verdoppelt.

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