Moderne Windkraftanlagen
Bei den modernen Windenergieanlagen unterscheidet man auch wieder Anlagen mit Vertikal- bzw. Horizontalachse.
Vertikalachsen-Konverter
Die Geräte mit Vertikalachse haben den Vorteil, dass sie auch bei stark wechselnden Windrichtungen noch eingesetzt werden können. Sie haben jedoch den Nachteil, dass die windnutzenden Flächen auf der rücklaufenden Seite gegen den Wind zurückgeführt werden müssen. Die Geräte mit vertikaler Achse laufen meist nicht von selbst an, d.h. man braucht Fremdenergie zur Betriebsaufnahme.
Horizontalachsen-Konverter
Joachim Herz Stiftung (Grafik), Pixabay License (Foto)/ meineresterampe via pixabay
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Anemometer: Das Windrädchen auf der rechten Seite misst die Windgeschwindigkeit und gibt diese Information an einen Regler weiter. Dieser schaltet die Anlage an, wenn die Windgeschwindigkeit hoch genug ist und schaltet die Anlage aus, wenn die Windgeschwindigkeit zu hoch (> 25 m/s) ist, um eine Zerstörung des Konverters zu vermeiden.
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Rotor: Die großen Windkraftanlagen haben meist drei Rotorblätter. Die Länge der Rotorblätter variiert je nach Anlagentyp. Bei den größten Anlagen können sie 39 Meter lang sein. Das ist so hoch wie ein 13-stöckiges Gebäude.
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Getriebe: Die relativ langsame Umdrehung des Rotors (typischer Wert: 22 Umdrehungen/Minute) wird durch das Getriebe in eine schnellere, für den Generator geeignete Drehzahl (1500 Um./Min.) umgewandelt.
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Generator: Ähnlich wie ein Dynamo wandelt er die Rotationsenergie in elektrische Energie um.
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Windfahne: Sie stellt sich immer in den Wind. Sie gibt dem Regler die Information über die Windrichtung. Der Regler veranlasst bei Änderung der Windrichtung, die Nachführung des Rotors.
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Bremssystem: Zur Abbremsung des Rotors verschlechtert man die Aerodynamik der Rotorblätter, indem man z.B. die Spitze der Blätter verdreht. Für Notfälle hat man noch eine mechanische Bremse (vgl. Bild) zur Verfügung.
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Leistungsanpassung: Eine Anlage ist für eine bestimmte Windgeschwindigkeit z.B. 15 m/s optimal ausgelegt. Wird der Wind zu stark, muss die Leistungsaufnahme begrenzt werden. Dies geschieht durch eine Verdrehung der Rotorblätter oder durch eine besondere Formgebung der Rotorblätter. Im letzteren Fall verändert sich bei hohen Windgeschwindigkeiten die Luftströmung um die Blätter zu einer turbulenten Strömung, so dass der Antrieb des Rotors nicht mehr optimal ist.
Die technische Entwicklung der Windkonverter hat in jüngster Zeit große Fortschritte gemacht. Wie man sich durch Abschätzungen überlegen kann, beträgt der optimale Wirkungsgrad (Verhältnis von Rotationsenergie des Rotors : Windenergie) einer Windenergieanlage ca. 60%. Die folgende Tabelle zeigt, wie die Entwicklung der Windräder sich langsam diesem optimalen Wirkungsgrad annähert.
| Typ | Rotordurchmesser | typische Drehzahl / s | typische Leistung | Wirkungsgrad |
| historische Windmühle | < 10m | 0,5 | 5 kW | 15% |
| moderner Vertikalachs-Konverter | < 10m | 1 | 1-10 kW | 35% |
| moderner Vielblattkonverter | < 10m | 1 | 1-50 kW | 40% |
| moderner 2-3-Blatt Konverter | < 100m | 0,3 - 2 | kW - MW | 46% |
Unter den regenerativen Energiequellen hat die Windenergie in Deutschland den stärksten Zuwachs in der Nutzung. In Windparks mit leistungsfähigen Anlagen kann inzwischen die kWh Strom zu einem Preis von knapp 6 Eurocents produziert werden.
Grafik: Joachim Herz Stiftung; Daten: Bundesverband Wndenergie ; Frauenhofer ISE; energy charts
Die Windleistung wird maßgeblich durch die Windgeschwindigkeit bestimmt. Die jährliche Energie, die sich mit einer Windkraftanlage gewinnen lässt, hängt von der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit \(v\) ab. Dies soll kurz abgeleitet werden:
Es werde angenommen, dass alle Luftteilchen der Masse \(m\) die Geschwindigkeit \(v\) besitzen. Die kinetische Energie eines solchen Teilchens ist dann \[{E_{\rm{kin}}} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot {v^2}\] Betrachtet man eine Zeitspanne \(\Delta t\) und zählt die Zahl \(N\) der Teilchen, welche auf eine Testfläche mit dem Inhalt \(A\) (dies ist die von den Rotorblättern überstrichene Fläche) auftreffen, so hat man die maximale Energie, welche auf die Fläche übertragen werden kann.
Es werde angenommen, dass die Teilchendichte \(n = \frac{N}{V}\) (Zahl \(N\) der Teilchen pro Volumeneinheit \(V\)) bekannt ist. In der Zeitspanne \(\Delta t\) gelangen dann nur diejenigen Teilchen durch die Testfläche \(A\), die höchstens die Entfernung \(l = v \cdot \Delta t\) von der Testfläche haben.
Zur Ermittlung der auf \(A\) prasselnden Teilchen muss man also das Volumen \(V\) des Zylinders mit der Grundfläche \(A\) und der Höhe \(l\) betrachten, d.h. \(V = A \cdot l\). Man bekommt die Teilchenzahl \(N\), indem man das Volumen \(V\) (Stoßvolumen) mit der Teilchendichte \(n\) multipliziert: \[N = n \cdot V = {\rm{ }}n \cdot A \cdot v \cdot \Delta t\] Die maximale kinetische Energie, welche auf die Fläche \(A\) übertragen werden kann, ist also \[{E_{{\rm{kin,ges}}}} = N \cdot {E_{{\rm{kin}}}} = n \cdot A \cdot v \cdot \Delta t \cdot \frac{1}{2} \cdot m \cdot {v^2} = \frac{N}{V} \cdot A \cdot v \cdot \Delta t \cdot \frac{1}{2} \cdot m \cdot {v^2}\] Nun ist aber \(N \cdot m\) die Gesamtmasse \({m_{{\rm{ges}}}}\) der Luft im Zylinder mit dem Volumen \(V\), so dass \[\frac{N}{V} \cdot m = \frac{{{m_{{\rm{ges}}}}}}{V} = {\rho _{{\rm{Luft}}}}\] Damit ergibt sich \[{E_{{\rm{kin,ges}}}} = \frac{1}{2} \cdot {\rho _{{\rm{Luft}}}} \cdot A \cdot \Delta t \cdot {v^3}\] Das "Luftpaket" trägt also die Leistung \[P = \frac{{{E_{{\rm{kin,ges}}}}}}{{\Delta t}} = \frac{1}{2} \cdot {\rho _{{\rm{Luft}}}} \cdot A \cdot {v^3}\] Die Windleistung ist also proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Man sieht auch, dass eine Verdoppelung der Rotorfläche eine Verdoppelung der aufgenommenen Leistung bedeutet.
Wenn Du mehr über Windkonverter wissen willst, so erfährst sehr viel unter der Adresse: http://igwindkraft.at/kinder/index.php