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Theorie zur Windkraft

Allgemeines, Grundlagen und Informationen zur Windkraft

Allgemeines zur Windenergie

Allgemeines zur Windenergie

Windenergie ist eine indirekte Form der Sonnenenergie. Unterschiede hinsichtlich Stärke der Sonneneinstrahlung und Eigenschaften der Erdoberfläche führen zu unterschiedlichen Oberflächen- und Lufttemperaturen. Luftdruckunterschiede und Ausgleichsströmungen (Wind) sind die Folge. Die Energie dieser bewegten Luftmassen kann durch Windkraftanlagen genutzt werden.
Windkraftanlagen nutzen einen Teil der kinetischen Energie des Windes, also der Bewegungsenergie der Luftmasse. Die kinetische Energie berechnet sich grundsätzlich über Masse und Geschwindigkeit des betrachteten Körpers:

Ekin = mv2 / 2 ………. kinetische Energie

Dadurch, dass ein Teil der im Wind enthaltenen Bewegungsenergie durch die Windkraftanlage genutzt wird, verringert sich die Geschwindigkeit der Luftströmung.

Neben der Geschwindigkeit ist noch die Masse der Luft von Bedeutung, konkret jener Massendurchsatz, der pro Zeit durch eine gewisse (Rotor-) Fläche strömt, der Massenstrom: der Massenstrom ist die pro Zeiteinheit durch eine bestimmte Fläche tretende Luftmasse. Entsprechend den Gesetzmäßigkeiten (Masse = Dichte * Volumen, also Masse = Dichte * Fläche * Höhe (Länge), m = Rho * V bzw. m = Rho * A * h), ergibt sich für den Massenstrom:

Massenstrom = Dichte * Fläche * Geschwindigkeit ( = Rho * A * v)

Dieser ist vor und hinter einer Windkraftanlage gleich groß, die nach der Anlage geringere Geschwindigkeit wird durch eine größere durchströmte Fläche ausgeglichen.

Wird in zuvor angeführter Formel für die Bewegungsenergie nun anstelle der Masse der Massenstrom eingesetzt, so ergibt sich die im Wind enthaltene Leistung:

P = ½ * Rho * A * v3 ….. im Wind enthaltene Leistung

Von entscheidender Bedeutung ist also die herrschende Windgeschwindigkeit, da ihr Wert mit der 3. Potenz in die Windleistung eingeht.
Zur Veranschaulichung: bei einem orkanartigen Sturm mit einer Windgeschwindigkeit von 30 m/s ergibt sich eine Windleistung (Leistungsdichte) von 16605 W/m2 (!), während sich bei Geschwindigkeiten von 5m/s 77 W/m2, bei 1m/s 0,6 W/m2 ergeben (bei einer Dichte der Luft von 1,23 kg/m3).

Es ist allerdings nicht möglich, diese im Wind enthaltene Leistung zur Gänze zu nutzen. Das Verhältnis von der dem Wind entnommenen Leistung zu der im Wind enthaltenen Leistung wird als Leistungsbeiwert cp bezeichnet:

Leistungsbeiwert cp = dem Wind entnommene Leistung / im Wind enthaltenen Leistung = P / PW

Die besten Bedingungen ergeben sich, wenn die Windgeschwindigkeit durch die Windkraftanlage auf ein Drittel ihres ursprünglichen Wertes reduziert wird. In diesem Fall wäre es theoretisch möglich, knapp 60% (16/27 = 0,593) der Windenergie zu nutzen. Dieser theoretisch maximal zu erreichende Leistungsbeiwert wird auch als Betz’scher Leistungsbeiwert (nach Albert Betz) bezeichnet.

Theorie der Windenergienutzung

Theorie der Windenergienutzung

Windkonverter nutzen in den meisten Fällen das Auftriebsprinzip, seltener auch das Widerstandsprinzip. Dementsprechend wird unterschieden zwischen:

Auftriebsläufer

Diese setzen die an den Rotorblättern entstehenden Auftriebskräfte in eine Drehbewegung um. Damit es zu entsprechend großen Auftriebskräften kommt, müssen die Rotorblätter als Auftriebsprofil gestaltet sein. Bei diesen ergeben sich an den beiden Flächen (Sogseite, Druckseite) des Profils unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und damit Druckunterschiede. Die resultierende Kraft dieses Druckunterschiedes ist die Auftriebskraft. Neben dieser erwünschten Auftriebskraft entsteht auch noch eine Widerstandskraft, durch die dem Wind dargebotene Angriffsfläche in Form der Rotorblätter.

Auftriebsbeiwert cA, Widerstandsbeiwert cW, Gleitzahl

Die entstehende Auftriebskraft ist proportional dem Auftriebsbeiwert cA, die Widerstandskraft proportional dem Widerstandsbeiwert cW. Wunschgemäß sollte cA relativ groß gegenüber cW sein. Dieses Verhältnis wird als Gleitzahl bezeichnet (cA / cW). Werte bis zu 400 sind bei modernen Rotorprofilen zu erreichen.

Anstellwinkel Alpha, Blatteinstellwinkel

Die Stellung der Rotorblätter hat wesentlichen Einfluss auf die resultierenden Kräfte und den Leistungsbeiwert. Als Anstellwinkel Alpha wird der Winkel zwischen Anströmrichtung und Profilsehne des Rotorblattes bezeichnet (wobei die Anströmrichtung bzw. die Richtung der Anströmgeschwindigkeit das Resultat der Vektoraddition von Windgeschwindigkeit und Umlaufgeschwindigkeit der Rotorblätter ist). Der Blatteinstellwinkel ist der Winkel zwischen der Rotorebene und der Profilsehne des Rotorblattes.

Bei Auftriebsläufern ist der theoretische Leistungsbeiwert knapp 60% (16/27), wie zuvor erwähnt. In der Praxis liegen Werte guter Anlagen im Bereich zwischen 0,4 und 0,5.

Beispiele für Auftriebsläufer sind die üblichen zwei- oder dreiflügeligen Schnellläufer der gängigen Windkraftanlagen, die amerikanische Windturbine (Langsamläufer, Windrose), der Darrieus- oder H- Darrieusrotor oder auch die altbekannte Windmühle.

Widerstandsläufer

Widerstandsläufer setzen dem Wind (gewollt und absichtlich) eine Angriffsfläche entgegen und nutzen die entstehende Widerstandskraft. Wie z.B. beim Savonius-Rotor oder einem Schalenkreuzanemometer bewegt sich jedoch eine Hälfte gegen die Windrichtung. Diese muss gegenüber der anderen Hälfte einen geringeren Widerstandsbeiwert cW aufweisen (z.B. bei offenen Halbkugeln cW = 0,34 zu cW = 1,3).

Der theoretisch maximal zu erreichende Leistungsbeiwert liegt hier mit 0,193 deutlich unter dem von Auftriebsläufern (0,593).

Je nach Lage der Drehachse werden unterschieden:

Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse

Beispiele hierfür sind die üblichen Schnellläufer, die amerikanische Windturbine oder die alten Windmühlen. Bei diesen ist eine Nachführung des Windkonverters je nach aktueller Windrichtung nötig (Azimutverstellung). Dies kann bei kleineren Anlagen mit Hilfe von Windfahnen (Steuerfahnen) erfolgen, oder bei größeren Windkraftanlagen mittels eigener Motorantriebe.

Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse

Durch die vertikale Drehachse ist keine eigene Windnachführung nötig. Beispiele sind Savonius-Rotor, Darrieus- oder H-Darrieusrotor.

Standorte für Windkraftanlagen

Standorte für Windkraftanlagen

Je nach Art, beabsichtigten Energieertrag und Verwendungszweck der Windkraftanlage ist ein ausreichendes Windangebot am Aufstellungsort Voraussetzung. Die in Frage kommenden Standorte für die Errichtung von Windanlagen durch Privatpersonen sind natürlich sehr an die jeweiligen (örtlichen) Gegebenheiten gebunden. Um zu prüfen, inwieweit die möglichen Standorte geeignet sind, sind folgende Punkte hilfreich:

Mittlere Windgeschwindigkeit

Diese ist meteorologischen Aufzeichnungen zu entnehmen. Sie stellt Jahresmittelwerte der Windgeschwindigkeit dar. Diese Messungen werden üblicherweise in 10 Meter Höhe durchgeführt. Allerdings sind diese Werte nur bedingt aussagekräftig, da die jeweils auftretenden Windverhältnisse bei gleichen Mittelwerten stark variieren können.

Relative Häufigkeitsverteilung

Die auftretenden Windgeschwindigkeiten werden einzelnen Geschwindigkeitsklassen (z.B. 0-1, 1-2, 2-3,… m/s) zugeteilt. Die relative Häufigkeit der einzelnen Klassen wird angegeben. Damit lässt sich erkennen, mit welchen Geschwindigkeiten vorrangig gerechnet werden kann, somit sind diese Werte aussagekräftiger als nur die Betrachtung der mittleren Windgeschwindigkeit.

Vorherrschende (Haupt-)Windrichtung

Wichtig, um die Orientierung der Windanlage zu diversen Hindernissen wie Gebäuden zu erleichtern. Aus der Hauptwindrichtung sollte die Anlage möglichst ungehindert angeströmt werden.

Bodenrauhigkeit

Diese hat entscheidenden Einfluss auf die Strömungsart (laminar oder turbulent) und auf das Geschwindigkeitsprofil (Verlauf der Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Höhe über der Erdoberfläche). Hindernisse reduzieren die Windgeschwindigkeiten, somit muss der Windkonverter in größerer Höhe angebracht werden. Außerdem erzeugen sie turbulente Strömungsverhältnisse, die für die Windanlage ungeeignet sind (auf passende Orientierung bzw. entsprechenden Abstand zu Hindernissen ist zu achten).

Verwendungszweck der Windenergie

Je nach Grad der Abhängigkeit von der Energie der Windanlage sind z.B. diverse Strömungshindernisse der Umgebung durch entsprechende Masthöhen auszugleichen. Inwieweit diese Masthöhen am jeweiligen Standort zulässig bzw. genehmigungspflichtig sind, ist zu klären.

Verteilung des Windangebotes im Jahresverlauf

Je nach zeitlichem Bedarf der Energie ist die Jahresverteilung des Windangebotes zu bedenken bzw. zu prüfen. Üblicherweise ist in strahlungsärmeren Zeiten das Windangebot größer, womit sich z.B. die Kombination mit direkter Nutzung der Sonnenenergie (Photovoltaik, Solarthermie) anbietet.

Aufbau und Komponenten

Aufbau und Komponenten

Rotor

Die an den Rotorblättern entstehende Auftriebskraft (bei Widerstandsläufern die Widerstandskraft) versetzt den Rotor in eine Drehbewegung. Die Rotorblätter sind an der Rotornabe montiert, diese befindet sich auf der Rotorwelle. Über diese Rotorwelle wird die Drehbewegung zum Getriebe weitergegeben.

Getriebe

Das Getriebe dient der Anpassung der geringeren Rotordrehzahl an die für den Generator nötige höhere Drehzahl.
Kleineren Anlagen (Batterielader) werden z.T. auch ohne Getriebe betrieben. Durch die relativ hohe Rotordrehzahl und die Verwendung von Generatoren mit hoher Polanzahl (z.B. 12-polige Permanentmagnetgeneratoren) ist dies möglich.

Generator

Der Generator wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um. In den meisten Fällen werden Drehstromgeneratoren eingesetzt (Asynchron- oder Synchrongeneratoren).

Gondel

Als Gondel (Maschinenhaus) wird die umhüllende Konstruktion verstanden, die am Mast montiert ist und die Komponenten wie Generator und Getriebe enthält.

Steuerung

Als Steuerung wird einerseits die Einrichtung zur Windnachführung bezeichnet, andererseits auch die Sicherungseinrichtung für den Fall zu starker Windgeschwindigkeiten (Sturmsicherung). Die Windnachführung dient der exakten Ausrichtung des Rotors nach der herrschenden Windrichtung. Bei kleineren Anlagen kann dies in Form einer Steuerfahne (Windfahne) geschehen, bei größeren Windkraftanlagen über ein eigenes Windmeßsystem und Elektromotoren.
Die Sturmsicherung dient dem Schutz der Windkraftanlage. Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten wird der Rotor „aus dem Wind gedreht“. Bei einfachen Anlagen z.B. durch eine Seitenfahne, bei modernen und großen Anlagen z.T. auch durch Verstellung der Rotorblätter (aerodynamische Bremse). Dadurch verändern sich die Strömungsverhältnisse und die resultierenden Kräfte.

Bremse

Aerodynamische Bremse (Blattverstellung) bzw. mechanische Bremse, z.B. in Form einer Scheibenbremse.

Lager

Das Azimutlager (Traglager) ermöglicht die Drehung des Windkonverters zur Windnachführung, die Rotorlager (Hauptwellenlager) nehmen die Rotorwelle auf.

Kupplung

Dient der Ankopplung/Entkopplung des Generators vom Getriebe.

Mast

Trägt sämtliche Komponenten und hebt den Rotor in eine, je nach Umgebung und Windverhältnissen, angepasste Höhe.

Anlagenkonzepte und Einsatzmöglichkeiten

Anlagenkonzepte und Einsatzmöglichkeiten

Windkraftanlagen im Inselbetrieb

Ohne Netzanschluss ist die Speicherung der von der Windanlage gelieferten Energie nötig. Um die vom Generator gelieferte elektrische Energie zu speichern, wird diese Wechselspannung in eine Gleichspannung gewandelt und mit entsprechender Stromstärke ein Akkumulator (Batterie) geladen. Diese Aufgabe übernimmt ein Laderegler. Er sorgt dafür, dass je nach Art und Größe der Batterie und der Berücksichtigung ihres momentanen Ladungszustandes ein passender Ladestrom fließt. Neben dieser Funktion der Ladung inklusive Überladeschutz übernehmen manche Laderegler auch noch die Aufgabe des Tiefentladeschutzes. Diese Funktion erhöht die Lebensdauer des Akkumulators, da die meisten Arten von Akkumulatoren mehrmaliger zu großer Entladung nicht standhalten. Unterschreitet die Ladung einen gewissen Wert, werden die Verbraucher von der Stromversorgung getrennt. Zum Teil gibt es auch die Möglichkeit der Aufteilung der Verbraucher je nach ihrer Wichtigkeit. Diese Vorrangschaltung schaltet „wichtigere“ Verbraucher erst zu einem späteren Zeitpunkt weg.

Bei der Dimensionierung von Windgenerator, Laderegler und Batterie ist darauf zu achten, dass diese aufeinander abgestimmt sein müssen. Des weiteren muss natürlich auch die gesamte Auslegung dieser Komponenten dem Energiebedarf (auch je nach Jahreszeit aufgeschlüsselt) und dem zu erwartenden Windangebot entsprechend gewählt werden. Dazu ist insbesondere die Leistung des Generators bei der überwiegend zu erwartenden Windstärke zu berücksichtigen (aus den Leistungskennlinien zu ersehen, diese wird vor allem bei kleineren Anlagen z.T. unter der Nennleistung des Generators liegen!) und zusätzlich sind die Zeiten von Windstille zu überbrücken. Diese (kürzere) Überbrückung von mangelndem Windangebot kann durch ausreichende Speicherreserven (inklusive Berücksichtigung des Wirkungsgrades des Ladungsprozesses und stattfindender Selbstentladung) erfolgen. Auch die Kombination mit einer Photovoltaikanlage (Solargenerator) ist sinnvoll. Da das Windangebot im Jahresverlauf variiert (im Sommerhalbjahr ist es üblicherweise geringer) und sich Windenergie und Strahlungsenergie gut ergänzen, bietet sich diese Kombination an. Auch Laderegler mit Eingängen für Windgenerator und Solargenerator sind erhältlich.

Neben der Speicherung elektrischer Energie sind auch noch andere Varianten denkbar, je nach anschließendem Verwendungszweck der erhaltenen Windenergie. Da die vom Windgenerator gelieferte elektrische Energie hinsichtlich ihrer Spannung, Leistung und Frequenz sehr unterschiedlich ist, ist sie für die meisten elektrischen Geräte ohne vorhergehende Regelung nicht direkt einsetzbar. Heizwiderstände sind diesbezüglich eher anspruchslos, eine sehr einfach gestaltete Regelung (Anpassung der Last je nach momentaner Generatorleistung) genügt. Bei entsprechender Dimensionierung der, eventuell im Eigenbau gefertigten Windanlage, wäre dies eine der sehr wenigen Ausnahmen, in denen die Verwendung von Strom für Heizzwecke sinnvoll erscheint. Die Speicherung der Energie würde, bei z.B. der Verwendung von Heizpatronen für einen Wasserspeicher, im Wärmeinhalt des Speicherwassers liegen. Energieangebot und Energiebedarf würden gut übereinstimmen.
Eine weitere Variante wäre noch die, bei der die Windenergie zur Förderung von Wasser verwendet wird. Wird ein ausreichend bemessener Speicher mit Wasser aufgefüllt und aus diesem das Wasser entnommen, mit einer Reserve für Tage mit geringerem Windangebot, stellt dieser Wasserbehälter den Speicher dar. Die Förderung des Wassers könnte eventuell durch eine (über ein Gestänge) mechanisch angetriebene Pumpe erfolgen, oder über eine elektrisch betriebene Pumpe, deren (breiter) Spannungsbereich die vom Generator zu erwartenden Spannungen abdeckt.

Netzgekoppelte Windkraftanlagen (mit angeschalteten Verbrauchern)

Diese versorgen ihre Verbraucher mit Energie und liefern mögliche Überschüsse ins Netz. Zur Einspeisung ins Netz sind entsprechende Einrichtungen zur Anpassung von Spannung, Frequenz und Phasenlage nötig (Netzwechselrichter Windy Boy). Zu Zeiten ungenügender Leistung der Windkraftanlage wird die benötigte Energie aus dem Netz bezogen, somit ist keine eigene Speicherung der elektrischen Energie nötig. Energiezähler bilanzieren eingespeiste und entnommene Energie aus dem Netz.

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