Windkraftwerk: Der Wind erzeugt Energie

Windkraftwerk: Der Wind erzeugt Energie

 

Im Grunde ist Windkraft eine Form von Sonnenenergie: Die Sonneneinstrahlung erwärmt die Luftmassen unterschiedlich stark. Es bilden sich dadurch Gebiete ungleichen Drucks, zwischen denen Luftmassen strömen. Diese Luftströmungen (Wind) enthalten Bewegungsenergie, die man über Windkraftanlagen aufnehmen und in elektrische Energie umwandeln kann.

 

Rein rechnerisch übersteigt das geschätzte Potenzial an Windenergie weltweit den aktuellen Energieverbrauch um das Vielfache. Dieses theoretische Potenzial lässt sich allerdings in der Praxis nicht ausschöpfen, selbst wenn alle technischen Möglichkeiten ausgenützt würden. Eine prinzipielle physikalische Grenze bildet der aerodynamische Wirkungsgrad des Rotors. Die Leistung hängt neben der Luftdichte auch von der Fläche, die der Wind durchströmt, sowie von der Windgeschwindigkeit ab.

 

 Einflussgrößen

 

Die Windgeschwindigkeit ist eine Schlüsselgröße, weil sie mit der dritten Potenz zur Leistung beiträgt. Das heißt: Verdoppelt sich die Windgeschwindigkeit, so führt das zur achtfachen Windleistung. Wegen der im Durchschnitt höheren Windgeschwindigkeit an Küsten baut man Windkraftanlagen vorzugsweise dort. Einfluss auf die Leistung hat auch die durchströmte Fläche. Sie wird von der Anlage durch die Länge der Rotorblätter bestimmt: Verdoppelt man die Rotorblattlänge, so liefert das wegen der geometrischen Beziehungen des Kreises die vierfache Fläche und so die vierfache Windleistung. Aus diesem Grund baut man Windkraftanlagen mit immer längeren Rotorblättern. Gleichzeitig geht man zu größeren Nabenhöhen über, weil die Windgeschwindigkeit in den höheren Luftschichten deutlich zunimmt.

 

Neben Windgeschwindigkeit und Fläche wird die Leistung noch durch den Leistungsbeiwert c_p bestimmt. Der theoretisch maximal erreichbare Leistungsbeiwert ist der Betz-Faktor (c_p = 0,583). Der Leistungsbeiwert ist von der Schnelllaufzahl λ abhängig, die sich aus dem Verhältnis der Umlaufgeschwindigkeit an den Flügelspitzen zur Windgeschwindigkeit ergibt. Die Schnelllaufzahl und somit der Leistungsbeiwert sowie die Fläche sind von der Bauart der Windenergieanlage abhängig. Üblich sind Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse und zwei oder drei Rotorblättern, aber auch Prototypen mit nur einem Rotorblatt befinden sich im Einsatz. Daneben gibt es auch Anlagen mit vertikaler Rotorachse.

 

 Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse

 

Bei den meisten Windkraftanlagen liegt die Rotordrehachse waagerecht. Generator, Getriebe und Nabe sind in einer Gondel untergebracht, die drehbar auf dem Turm sitzt, damit die Rotorblätter optimal in den Wind gestellt werden können. Die Blätter bestehen meist aus faserverstärkten Kunststoffen. Sie sind über die Rotornabe mit der Rotorwelle verbunden. Je nach Anordnung der Rotorblätter unterscheidet man Lee- und Luvläufer.

 

Bei Leeläufern befinden sich die Rotorblätter auf der windabgewandten Seite des Turms. Solche Anlagen benötigen keine Vorrichtungen zur aktiven Windrichtungsnachführung. Nachteilig ist aber, dass sich die Rotorblätter durch den »Turmschatten« drehen, wobei die Windanströmung kurzzeitig unterbrochen wird. Bei den üblicherweise verwendeten Luvläufern befinden sich die Rotorblätter auf der windzugewandten Seite des Turmes. Dadurch werden periodische Belastungen der Blätter und Leistungsschwankungen, die beim Durchlauf des Turmschaltens entstehen, vermieden. Allerdings benötigen Luvläufer eine aktive Windnachführungsvorrichtung, die die Rotorwelle entsprechend der Windrichtung ausrichtet, um einen Leistungsverlust durch eventuelle Schräganströmung zu vermeiden. Damit die Rotordrehzahl auf einen konstanten Wert geregelt werden kann (Pitch-Regelung), wird der Blattanstellwinkel in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit verändert. Durch konstruktionsbedingten Strömungsabriss an den Blättern (Stall-Regelung) lässt sich die Drehzahl bei kleinen Rotoren begrenzen.

 

Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten (etwa ab 25 m/s, Windstärke 10) muss zum Schutz vor mechanischer Überlastung der Rotor gebremst oder stillgesetzt und die Blätter auf Leerlauf oder Stillstand geschaltet und gegebenenfalls aus dem Wind gedreht werden.

 

 Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse

 

Anderen Konstruktionsprinzipien folgen die Rotoren mit senkrechter Drehachse, so der Darrieus- und der Savonius-Rotor. Darrieus-Rotoren bestehen meist aus zwei oder drei gekrümmten Rotorblättern, die oben und unten an der Drehachse befestigt sind. Sie sind von der Windrichtung unabhängig, wodurch die Nachführung entfällt. Nachteilig ist, dass sie erst bei Windgeschwindigkeiten von annähernd 6 m/s (Windstärke 4) selbsttätig anlaufen können. Sie werden daher meist mit leicht anlaufenden Savonius-Rotoren kombiniert.