Wissen über Windkraftanlagen
Was ist ein Windkraftwerk?
Eine Windkraftanlage (WKA) wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um und speist sie in das Stromnetz ein. Dies geschieht, indem die Bewegungsenergie der Windströmung auf die Rotorblätter wirkt und sie somit den Rotor in eine Drehbewegung versetzt. Der Rotor gibt die Rotationsenergie an einen Generator weiter, die dort in elektrische Energie umgewandelt wird.
In der Fachliteratur hat sich ebenfalls der Begriff Windenergieanlage (WEA) etabliert, manchmal wird auch als universeller Sammelbegriff Windkraftkonverter (WKK) verwendet. Ferner wird Windkraftwerk als Synonym verwendet. In der Umgangssprache findet sich oft der Begriff Windrad oder fälschlicherweise Windmühle.
Beispiel: Windkraftanlagen
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Grundlagen und Energiewandlung
Die kinetische Energie des Windes steigt mit der dritten Potenz seiner Geschwindigkeit – sie setzt sich zusammen aus der momentanen kinetischen Energie des Windes, die linear mit der Luftdichte (Masse pro Volumeneinheit) und mit der zweiten Potenz der Geschwindigkeit steigt, und einer weiteren Potenzierung durch den bei steigender Luftgeschwindigkeit zunehmenden Volumenstrom in der vom Rotor überstrichenen Querschnittsfläche. Die im Wind enthaltene Energie E bei einer Windgeschwindigkeit v und Luftdichte ρ, die senkrecht durch die kreisförmige Rotorfläche mit Radius r einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse in der Zeit t strömt.
Aufgrund des starken Anstiegs der Windenergie bei zunehmender Windgeschwindigkeit sind windreiche Standorte besonders interessant. Bei einer Luftdichte von 1,22 kg/m3, einer Windgeschwindigkeit von 8 m/s (≈ Windstärke 4 Bft) und einem Rotordurchmesser von 100 Meter beträgt die kinetische Energie der innerhalb einer Sekunde durch die Fläche des Rotorkreises strömenden Luft 2,45 Megajoule oder 0,68 kWh.
Bauformen
Zur Stromerzeugung haben sich heute Windkraftanlagen mit horizontaler Rotationsachse durchgesetzt. Daneben existieren noch andere Bauformen mit vertikaler Rotationsachse, welche je nach den vorherrschenden Standortbedingungen eine gute oder sogar bessere Alternative zu Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse sein können. Sie werden im übernächsten Absatz kurz beschrieben. Die dort meist der Vollständigkeit halber auch aufgeführte Bauform des Flettner-Rotors in der Version mit vertikaler Rotationsachse hat in Anlagen, in denen die im Wind enthaltene Energie primär in Rotationskraft umgewandelt wird, heute noch keine Bedeutung, könnte jedoch rein technisch wegen seiner extrem hohen Auftriebsbeiwerte für eine Nutzung als Auftriebselement (Flügel) auf einer Kreisbahnlagerung in Frage kommen.
Horizontale Rotationsachse
Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der Windrichtung nachgeführt werden. Die Gondel ist mit einem so genannten Azimutlager horizontal drehbar auf dem Turm angebracht. Die Windrichtung wird bei großen Anlagen über die Windrichtungsgeber ermittelt. Die Ausrichtung des Rotors in den Wind erfolgt dann mittels Stellmotoren.
Es wird danach unterschieden, ob sich der Rotor auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvläufer) oder auf der dem Wind abgewandten Seite (Leeläufer) des Turmes befindet. Ein Vorteil von Leeläufern ist, dass (bei kleinen Anlagen) auf einen Windnachführungsmechanismus verzichtet werden kann. Der Wind dreht den Rotor automatisch in die richtige Richtung und sorgt für eine so genannte passive Windnachführung.
Leeläufer haben den weiteren Vorteil, dass die Gefahr einer Rotorblatt-Berührung mit dem Turm deutlich geringer ist, jedoch konnten sie sich bei großen Anlagen nicht durchsetzen, da es zu Unstetigkeiten in der Rotordrehzahl, zu mechanischen Schwingungs-Erscheinungen und zu elektrischen Schwankungen kommt (Oberwellen), wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert und dabei kurz das Antriebsdrehmoment schwankt.
Vertikale Rotationsachse
Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse gibt es unter anderem als Savonius-Rotor oder Darrieus-Rotor.
Ein Beispiel für eine Windkraftanlage des klassischen Darrieus-Rotors, der von dem Franzosen Georges Darrieus erfunden wurde, ist die 110 Meter hohe Anlage Éole in Le Nordais, Cap-Chat in Canada mit vier Megawatt Nennleistung.
Beispiele für den H-Darrieus-Rotortyp waren vier Anlagen der Firma Heidelberg Motors mit je einem Megawatt Leistung am Kaiser-Wilhelm-Koog neben der Elbmündung in Brunsbüttel. Letztere mussten zurückgebaut werden, weil ihr damals noch nicht ausgereifter getriebeloser Ringgenerator wegen des Lärmes nachts abgeschaltet werden musste. Das minderte den Ertrag und damit die Wirtschaftlichkeit der Anlagen.
Beim klassischen Savonius-Rotor des finnischen Erfinders Sigurd Savonius wurden in jüngerer Zeit Weiterentwicklungen bekannt, die einige weitere Verbesserungen und Vorteile erbrachten und zudem einstige Nachteile aufheben konnten.
Ein Beispiel für alte Windmühlen des Typs mit vertikaler Rotordrehachse ist die Persische Windmühle und die chinesische Windmühle.
Ein Prototyp einer moderneren Version des Darrieus-Rotors mit 2,4 Meter Rotordurchmesser steht in Gáldar in der Provinz Las Palmas auf der Kanarischen Insel Gran Canaria. Diese Version, mit wie beim Heidelberg-Rotor getriebelosem Generator, benutzt auf einem H-Darrieus-Rotortyp nur einen angeströmten Flügel (mit entsprechendem Kontergewicht), der bei offener durchströmter Anordnung seiner Flügelkomponenten auch bei extremen Anstellwinkeln zur Strömung bedeutend mehr Drehkraft erzeugen kann als bisher übliche geschlossene, symmetrisch aerodynamische Profile. Sie läuft bei zugeschaltetem, kurzgeschlossenem, also bremsendem Generator ab einer Windgeschwindigkeit von etwa 3 Metern pro Sekunde ganz ohne jede Anfahrhilfe an. Der Wirkungsgrad ist im theoretischen Rahmen der Leistungsfähigkeit eines Rotors mit vertikaler Drehachse deutlich höher als in der Version mit umschlossenen, symmetrischen Flügelprofilen. Die Anzahl der Flügel ist dabei frei wählbar. Das dazugehörige Patent DP 41 20 908 ist lizenzfrei nutzbar.
Vorteile
Bei vertikal stehender Rotationsachse braucht man nicht den Rotor zur Windrichtung nachführen. Der Rotor ist meist zweipunkt-gelagert, wodurch die Belastungen durch Gewicht, Schwingungen und andere im Betrieb auftretende mechanische Kräfte besser verteilt und aufgefangen werden können. Der Generator kann am Boden angeschlossen sein, was die Konstruktion vereinfacht und den Betrieb sicherer macht. Die Flügel werden von der Schwerkraft immer gleichmäßig belastet, weshalb hierdurch keine materialbelastenden Schwingungen auftreten können. Der Geräuschpegel bewegt sich in tolerierbaren Grenzen. Bei direkter Nutzung mechanischer Kraft wie auch bei der Umwandlung in elektrische Energie kann diese an der am Boden gelagerten Rotorwelle leichter abgenommen bzw. erzeugt werden. Turbulenzen, wie sie an 80 % der möglichen Standorte mit guten Windverhältnissen vor allem in Bodennähe auftreten, werden von Läufern mit vertikaler Rotordrehachse hervorragend toleriert und genutzt, ohne nennenswerte Wirkungsgrad-Verluste.
Die konstruktiven Vorgaben sind durch die Möglichkeit, Anlagen mit vertikaler Rotordrehachse auf einer Kreisbahnlagerung am Boden auf breiter Fläche zu lagern insofern stark erweitert, als damit Größenabmessungen realisierbar sind, die für Anlagen mit horizontaler Rotordrehachse heutzutage technisch unmöglich erscheinen. Dies wurde bereits als Konzept mit aerodynamischen Flügelprofilen genau so wie bei einem Darrieus-Rotor, den man mit zur Strömung nachgeführten Flügeln konzipiert, in England und Amerika als Patentanmeldung eingereicht (siehe im Artikel Kreisbahnlagerung). Insbesondere für Anwendungen an Land gilt, dass eine Turbine mit vertikaler Rotationsachse wegen der dort gut aufgefangenen Lastverteilung durch Zweipunktlagerung vorteilhaft in Systeme integriert werden kann, die die Möglichkeit einer vorherigen Konzentration der Strömungsenergie durch speziell dafür entworfene feststehende Einleitflächen ähnlich einer Mantelturbine nutzt. Ein Beispiel hierzu ist der TMA-Rotor, der im Artikel Savonius-Rotor im Abschnitt Entwicklung beschrieben wird. Bei diesem Konzept kann man bei gleicher Leistung eine nur etwa halb so große Turbine wählen, was sich bei entsprechend stabiler Konstruktion sehr vorteilhaft auf die Herstellungskosten und auch auf die Lebensdauer einer Anlage auswirken kann. Der Strömungsdurchsatz der Turbine wird zudem nicht behindert, das Maschinenhaus befindet sich hier unten am Boden. Es ist bei Rotoren mit vertikaler Drehachse auch vorstellbar, verstärkte Strömungen beispielsweise hinter baulichen Hindernissen, in Bergschluchten, in Tunneln und in Hanglagen zu nutzen. Dort kommt in besonderem Maße die gute Turbulenzverträglichkeit aller Anlagen mit vertikalen Rotationsachsen zum Tragen. Auch mag es eine interessante Herausforderung für Architekten sein, einem Bauentwurf ein besonders strömungsverstärkendes Profil zu geben, das durch solche Turbinen dann zur Energieerzeugung genutzt werden kann.
Nachteile
a sich die Flügel an einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse in einem etwa auf ein Viertel des Rotordrehkreises bezogenen Abschnitt im Arbeitsumlauf in einer zur Strömung ungünstigen und energetisch nicht nutzbaren Position befinden, können sie nur den Teil der Strömung in nutzbare Energie umwandeln, zu dem sie sich in einer dafür günstigen Stellung befinden. Auf bestenfalls drei Vierteln ihres Drehkreises nutzen sie also den Wind. Dies ist abhängig vom Rotortyp und der Art der Flügel, es kann bis zu einer Hälfte des Drehkreises der Flügel von diesem Nachteil betroffen sein, bei historischen Modellen dieser Bauart ist dies zum Beispiel bei der persischen Windmühle der Fall. Ein Leistungsbeiwert um etwa 0,3 ist für einen Rotor mit vertikaler Drehachse also eine sehr gute Leistung. Verglichen mit Läufern, die nach dem Konstruktionsprinzip der horizontalen Rotordrehachse gebaut sind, gleicht sich dieser Nachteil des geringeren Wirkungsgrades dann aus, wenn der Standort eine turbulente Strömungscharakteristik aufweist. Dann nämlich werden die Flügel der horizontal liegenden Läufer von der wechselnden Strömung oft falsch angeblasen, wodurch wegen des falschen Anströmwinkels zum Blattprofil der Wirkungsgrad dann starke Differenzen zeigen kann. Ein weiterer Nachteil sind die Schwingungen und Belastungen der Flügelkonstruktion und deren Halterungen, die durch die zyklisch auftretenden Lastwechsel verursacht werden, die wiederum durch die unterschiedliche Reaktion der Blätter oder Flügel auf die Strömung im Drehkreis entstehen. Hinzu kommt, dass die Flügel bzw. Blätter, je nachdem, auf welcher Seite ihres Drehkreises sie gerade durch die Strömung laufen, sei es nun auf der Luv- oder auf der Leeseite des Rotors, auch die Seite wechseln, von der sie angeströmt werden. Der Effekt dieser Lastwechsel ähnelt oberflächlich betrachtet einer durch ungleichmäßige Masseverteilung verursachten Unwucht und kann relativ starke Belastungen auf die Konstruktion ausüben. Es gibt allerdings Überlegungen die Anstellung der Flügel durch eine elektrische oder mechanische Verstellung (ähnlich Taumelscheibe beim Hubschrauber [3]) während der Umdrehung anzupassen. Damit werden die oben angeführten Nachteile teilweise kompensiert.
Quelle und weitere Informationen Wikipedia
