Windkraftwerk:
- Funktion:
- Wind drückt gegen die Flügelflächen -> Rad dreht sich
- mit diesem Widerstandsprinzips werden einfache Windräder angetrieben
- moderne Windrotoren nutzen zusätzlich das Auftriebsprinzips
- Rotorblätter sind aerodynamisch gestaltet d.h. ähnelt dem Profil von Flugzeugtragflächen
- Oberseite stärker gewölbt als Unterseite, durch dieses Profil wird die Geschwindigkeit der anströmenden Luft einerseits erhöht (Oberseite), andererseits herabgesetzt (Unterseite). An der unteren Seite des Profils bilden sich Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an der oberen Seite entsteht dagegen Unterdruck. Die unterschiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass an dem Profil Auftriebskräfte wirksam werden. Durch diesen Auftrieb wird eine Flugzeugtragfläche nach oben gedrückt; das Rotorblatt einer Windkraftanlage indes erhält Antrieb in Drehrichtung .
Langsam - Läufer
- waren als erstes da
-zwei Gruppen
Auftriebsnutzende, Windmühlen
- unterscheiden sich je nach Region in Bauweise
-funktionieren nach dem gleichen Prinzip
-durch horizontale Achse liegen Rotoren direkt im Wind durch abgeneigte Stellung drückt der Wind den Rotor gleichmäßig in eine Richtung somit bedarf es keine Abschirmung mehr
-bekannteste Arten griechische Segelwindmühle, holländische Windmühle und die amerikanische Windmühle
Widerstandsnutzende
-nutzen den Widerstand , in der Regel mit horizontaler Achse aber auch vertikaler Achse (Nachteil: Energieverlust durch Reibung)
-funktionieren nach Prinzip an Achse viele Seitenarme befestigt, an den wiederum größere Platten angebracht sind und zwar so das der Widerstand möglichst groß ist d.h. in Windrichtung.
-eine Seite der Achse muss jedoch abgeschirmt werden, da sonst Wind den Rotor in beide Richtungen zu drehen versuchen und dadurch keine Drehung der Achse zustand käme.
-deshalb werden etwa 180 um die Achse Windbarrieren errichtet, die nicht zulassen das der Wind noch Kraft auf die Arme bzw. auf die an den Armen befestigten Platten ausübt. = feste Windbarriere
-andere Möglichkeit wäre das Platten umklappen wenn Wind drauf trifft somit hätte er keine Angriffsfläche mehr =halbabgeschirmten bzw. umklappenden Windrotoren z.b. Savonius Rotor
Savonius Rotor
-weit verbreitet als Lüftung (bei Bauwagen oder Waggons besteht aus zwei gegeneinander versetzten Zylinderhälften( Schaufeln)
-->>Wind wird zuerst in eine Schaufel gedrückt, dann in die andere umgelenkt
-gutes Anlaufverhalten, da es schon bei geringer Windgeschwindigkeit anläuft
-schlechte Leistungsausbeute ->Wirkungsgrad 27% => zu wenig um sie kommerziell zu Energiegewinnung zu nutzen
Schnell-Läufer
-Produkt modernster Forschung und eignen sich auf Grund der schnellen Rotationen besonders gut zur Energiegewinnung
-unterscheiden sich in Achsenstellung
- Blattrotoren mit horizontaler Achse
-bestehen aus ein, zwei oder drei blättern
-zwei oder drei blättrige Typen erreichen einen Wirkungsgrad von mehr als 45%(Zweiflügler erreichen nur dies)
- brauchen zum Anlauf vergleichsweise hohe Windgeschwindigkeit
-Darrieus Rotoren (zählt zur vertikalen Gruppe)
-um 1930 von Georges Darrieus (Frk) entwickelt
- Wirkungsgrad etwa 35%
-nutzen den Auftrieb, obwohl vertikale Achse = Widerstandsläufer wär
-besitzen vertikale Achse, daraus folgt arbeitet unabhängig von Windrichtung, da sie nicht nachgeführt werden muß, nicht regelbar
-besteht aus zwei bis drei schmalen Blättern(sehen aus wie eine Überdimensionaler Zwiebel, die gebogene über eine Achse gespannt werden
-Form der Rotoren aus Überlegung das Zentrifugalbeschleunigung in Betrieb größer als Erdbeschleunigung ist
-braucht hohe Windgeschwindigkeit und Anlaufhilfen
-schlechte Leistungsausbeute
-Film "Waterworld" mit Kevin Costner kommt ein zweiblättriger Energieerzeuger dieser Art zum Einsatz
-H-Darieus hat gerade Rotorblätter
-abgewandelte Form Darrieus läuft sehr unruhig, um zu beruhigen Streben zwischen Blatt und rotierende Säule daraus folgt diese Form
Vorteile Nachteile
-unabhängig von Windrichtung -geringerer Wirkungsgrad
-Wegfall der Blattverstellmechanismen -benötigt Anlaufhilfe
-Generatoren + Getriebe fest installiert
Anlagetypen, Größe , Leistung
- Leistung abhängig von Masthöhe und Rotordurchmesser
-250 Kilowatt-Anlage
-Rotordurchmesser von 24 m und Masthöhe von 30 bis 40 m
- Tendenz dieser Anlagen sinken
500 bis 600 Kilowatt Anlagen
-am häufigsten
-Rotordurchmesser 40 bis 43 m und Masthöhe von 40 bis 50 m
1 bis 1,5 Megawatt anlagen
-Prototyp
-Rotordurchmesser von 60 bis 70 m und Masthöhe von über 60 m
Windparks
-mehr als 5 Windanlagen
- dabei stehen sich diese Anlagen gegenseitig im Wind
- off Shore parks sind Anlagen in Wasser
Bestandteile einer Anlage
Mast, Turmkopf, Rotor, Wellen
Mast nicht viel zu sagen
Baumaterial hauptsächlich Stahl und Beton wegen Festigkeit, Preisgünstigste Konstruktion besteht aus Stahlgitter geeignet für Türme bis zu 30 m
-durchgesetzt freistehende Stahlrohrtürme , die vor Ort zusammenmontiert werden , bei sehr hohen Türmen werden zusätzlich Abspannseile befestigt
- am aufwendigsten Turmkonstruktionen aus Stahlbeton bieten große Festigkeit und Schwingverhalten am besten beherrschbar , auch Übertragung unwillkommender Laufgeräusche werden eingedämmt
Turmkopf
- Turmkopf und Rotor um 360 Grad drehbar und kann somit in Windrichtung nachgeführt werden, meist vollautomatisch durch elektronisch Meß- und Regelanlagen oder mechanisch mit Hilfe von Seitenrädern bzw. Windfahnen.
Rotor
Rotorblätter obere Seite mehr gewölbt als Unterseite
-bestehen hauptsächlich aus Faserverbundwerkstoff, weißt relativ geringe Masse auf aber eine hohe Festigkeit
- der Kern besteht aus einem ovalen Holm, der aus Glasfasermaterial in Verbindung mit einem Kunststoffharz gewickelt ist.
-für extrem leichte Verbundbauweise Fasermaterial aus Graphit (Kohlefasern) vergleichbar mit Stabilität von Stahlkonstruktionen , weist aber hohe Kosten auf
-autom. Rotorballverstellung
- regelt Drehzahl
- ändert die Leistungsaufnahme des Rotors je nach Windgeschwindigkeit bei schwachem Wind Einstellung so das sie mit voller breite gegen Strömung stehen
-STARKEN Windreduzierung der Einstellung, bis die Blätter parallel zur Windströmung steht und so der Rotor keine Drehung vollzieht
- Pitch- Regelung , da Drehzahl trotz schwankender Windstärke relativ konstant gehalten werden und somit der Generator gleichmäßig läuft
Bremsen zwischen Rotor und Getriebe bzw. Getriebe und Generator befindet sich eine Bremsvorrichtung (Scheibenbremse) mit der zB. bei Sturm Gefahr festsetzen lässt als zusätzliche Sicherung gegen Überdrehung Bremsklappen die bei einer bestimmten Drehzahl ausgefahren werden
-Unterschied zwischen Rotorblattzahl:
drei Blattrotoren: Anlauf bei geringer Windgeschwindigkeit erreicht nur Wirkungsgrad von 37 %
zwei Blattrotor: Anlauf hohe Windgeschwindigkeit erreicht Wirkungsgrad von 49%
ein Blattrotor: erreichen hohe Drehzahl als Mehrflügler, desto mehr Flügel desto geringer Drehzahl, da sobald ein Rotorblatt in den bereich gelangt, aus dem der Vorläufers bereits Energie entzogen wurde und wo Luft nun verwirbelt ist, wird Drehmoment schwächer
WELLEN
horizontalen Wellen vertikale Wellen
- meist verbreitet müssen nicht nach dem Wind ausgerichtet werden
- müssen nach Windeinfall ausgerichtet werden, z.B. Savonius, Darrrieus wobei eine Windrichtungsnachführung die
Rotorblätter in die jeweils günstige Position bringen
- Vorteil darin, dass Anstellwinkel der propeller- artigen Rotorblätter verändert werden kann so dass Leistungsaufnahme des Rotors regulieren läßt -zwei- drei Blattrotoren Wirkungsgrad bis 45%
Energieumwandlung:
- Leistung des Windes wird durch Abbremsung der Luftmassen in die mechanische Energie der Windrotors umgewandelt:
kinetische Energie ->mechanische Energie -> elektrische Energie
Wirkungsgrad
-zwischen 25% -49 % abhängig von Typen
-Wirkungsgrad fällt mit zunehmender Blattzahl ab
Allgemeines:
Die 6 in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen der Windkraftwerke Obere Nahe erzeugten bisher 14,37 Millionen Kilowattstunden Strom und ersparen uns damit umgerechnet 4,8 Million Liter Heizöl. Dies entspricht einem Güterzug mit1,38 Kilometer Länge, der von 5 Lokomotiven gezogen werden muß.
Hätte dieser Strom in Kernkraftwerken erzeugt werden müssen, wären 44,5 kg Atommüll angefallen.
Wäre insgesamt der Strom, der durch die Nutzung der Windenergie seit 1990 in Deutschland erzeugt wurde, durch Atomkraftwerke produziert Worden, hätte Dt. noch 7 Castor Transporte mehr ertragen müssen.
Windgeschwindigkeit
-ist daher von großer Bedeutung, weil Leistung- und Energieabgabe von Windkraftanlagen bei einer höheren Windgeschwindigkeit um die dritte Potenz steigt. Leistung- und Energieabgabe nicht linear mit Windgeschwindigkeit zu bzw. abnimmt.
z.B.: 8 m/s Windgeschwindigkeit = 160 kW Leistung
4 m/s " = 20 kW Leistung
Funktion:
-Wind gegen Flügelflächen -> Rad dreht sich
-moderne Windrotoren nutzen Auftriebsprinzip
-Rotorblätter aerodynamisch gestaltet
-Oberseite stärker gewölbt als Unterseite, dadurch Geschwindigkeit der anströmenden Luft einerseits erhöht (Oberseite), andererseits herabgesetzt (Unterseite)
-unter Seite Überdruck, oberen Seite Unterdruck.
-unterschiedlichen Druckverhältnisse dadurch Auftriebskräfte
-durch Auftrieb wird Rotorblatt gedrückt in Drehrichtung.
Arten
Langsamläufer
Auftrieb nutzend Widerstand nutzend
-Holl. Windmühle, amerik. Windmühle -Savonius Rotor
-horizontale Achse ->Rotor direkt im Wind - an Achse viele Seitenarme mit Platten angebracht, so das Widerstand großmöglichst ist
-durch abgeneigte Stellung des R. -> keine Abschirmung -muß Abgeschirmt sein, da Wind Rotor in alle Richtungen dreht
Schnellläufer
- schnelle Rotation -> besonders gut geeignet für Energiegewinnung
-brauchen hohe Anlaufsgeschwindigkeit
Wirkungsgrad
-zwischen 25% -49 % abhängig von Typen
-Wirkungsgrad fällt mit zunehmender Blattzahl ab
Energieumwandlung:
-Leistung des Windes wird durch Abbremsung der Luftmassen in die mechanische Energie der Windrotors umgewandelt:
Frequently asked questions
Was ist ein Windkraftwerk und wie funktioniert es?
Ein Windkraftwerk nutzt die Kraft des Windes, um Energie zu erzeugen. Der Wind drückt gegen die Rotorblätter, wodurch sich das Rad dreht. Moderne Windrotoren nutzen das Auftriebsprinzip, wobei die aerodynamisch gestalteten Rotorblätter (ähnlich Flugzeugtragflächen) einen Unterdruck auf der Oberseite und einen Überdruck auf der Unterseite erzeugen. Dieser Druckunterschied erzeugt Auftrieb, der das Rotorblatt in Drehrichtung antreibt.
Welche Arten von Windkraftanlagen gibt es?
Es gibt hauptsächlich zwei Arten: Langsamläufer und Schnellläufer. Langsamläufer waren zuerst da und nutzen entweder Auftrieb (Windmühlen) oder Widerstand. Schnellläufer sind das Ergebnis moderner Forschung und eignen sich besonders gut zur Energiegewinnung.
Was sind die Hauptmerkmale von Langsamläufern?
Langsamläufer lassen sich in auftriebsnutzende (wie holländische oder amerikanische Windmühlen) und widerstandsnutzende Anlagen (wie Savonius-Rotoren) unterteilen. Auftriebsnutzende Anlagen haben eine horizontale Achse und liegen direkt im Wind. Widerstandsnutzende Anlagen nutzen den Widerstand des Windes, haben aber oft Energieverluste durch Reibung. Savonius-Rotoren sind weit verbreitet als Lüftungssysteme, haben aber eine schlechte Leistungsausbeute.
Was sind die Hauptmerkmale von Schnellläufern?
Schnellläufer sind für schnelle Rotationen ausgelegt und eignen sich gut zur Energiegewinnung. Sie können eine horizontale (Blattrotoren) oder vertikale Achse (Darrieus-Rotoren) haben. Blattrotoren mit zwei oder drei Blättern erreichen einen hohen Wirkungsgrad. Darrieus-Rotoren arbeiten unabhängig von der Windrichtung, haben aber oft eine schlechte Leistungsausbeute und benötigen Anlaufhilfen.
Welche Vor- und Nachteile haben Darrieus-Rotoren?
Vorteile: Unabhängig von der Windrichtung, Wegfall der Blattverstellmechanismen, Generatoren und Getriebe fest installiert. Nachteile: geringerer Wirkungsgrad, benötigt Anlaufhilfe.
Wie variieren Anlagetypen in Größe und Leistung?
Die Leistung einer Windkraftanlage hängt von der Masthöhe und dem Rotordurchmesser ab. Es gibt Anlagen mit 250 Kilowatt, 500 bis 600 Kilowatt und 1 bis 1,5 Megawatt Leistung. Windparks bestehen aus mehr als 5 Windanlagen.
Aus welchen Bestandteilen besteht eine Windkraftanlage?
Die Hauptbestandteile sind Mast, Turmkopf, Rotor und Wellen. Der Mast besteht hauptsächlich aus Stahl und Beton. Der Turmkopf und Rotor sind um 360 Grad drehbar. Die Rotorblätter bestehen aus Faserverbundwerkstoff.
Wie funktioniert die Rotorblattverstellung (Pitch-Regelung)?
Die Rotorblattverstellung regelt die Drehzahl und ändert die Leistungsaufnahme des Rotors je nach Windgeschwindigkeit. Bei schwachem Wind stehen die Blätter mit voller Breite gegen die Strömung, bei starkem Wind werden sie so eingestellt, dass sie parallel zur Windströmung stehen, wodurch die Drehung reduziert wird. Diese Regelung hält die Drehzahl relativ konstant, auch bei schwankender Windstärke.
Welchen Einfluss hat die Anzahl der Rotorblätter auf den Wirkungsgrad?
Drei-Blattrotoren starten bei geringer Windgeschwindigkeit, erreichen aber einen geringeren Wirkungsgrad (37%). Zwei-Blattrotoren starten bei hoher Windgeschwindigkeit und erreichen einen höheren Wirkungsgrad (49%). Ein-Blattrotoren erreichen hohe Drehzahlen. Je mehr Flügel, desto geringer die Drehzahl, da ein Rotorblatt in den Bereich gelangt, aus dem der Vorläufer bereits Energie entzogen hat.
Wie erfolgt die Energieumwandlung in einer Windkraftanlage?
Die Leistung des Windes wird durch Abbremsung der Luftmassen in die mechanische Energie des Windrotors umgewandelt: Kinetische Energie -> Mechanische Energie -> Elektrische Energie.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad von Windkraftanlagen?
Der Wirkungsgrad liegt zwischen 25% und 49%, abhängig vom Typ der Anlage. Der Wirkungsgrad fällt mit zunehmender Blattzahl ab.
Warum ist die Windgeschwindigkeit so wichtig?
Die Windgeschwindigkeit ist von großer Bedeutung, weil die Leistungs- und Energieabgabe von Windkraftanlagen bei einer höheren Windgeschwindigkeit um die dritte Potenz steigt. Die Leistungs- und Energieabgabe nimmt nicht linear mit der Windgeschwindigkeit zu bzw. ab.
- Quote paper
- Reka Kaczmarek (Author), 2000, Windkraftwerke, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/99251
