Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Windenergieanlagen erzeugen elektrische Energie aus Wind und sind somit Kraftwerke für erneuerbaren Strom. Die Funktionsweise basiert auf dem einfachen Prinzip, dass die (kinetische) Bewegungsenergie der Luft, d. h. der Wind, über die Rotorblätter in eine Drehbewegung übertragen wird.

 

Auftriebsprinzip

Die zurzeit weltweit am weitesten eingesetzte Bauform lässt sich als dreiflügeliger, horizontalachsiger Auftriebsläufer charakterisieren. Der Grund für dessen Verbreitung ist die optimale Kombination aus dem technischen Wirkungsgrad, dem Materialaufwand, den daraus resultierenden Kosten sowie dem Anlagengewicht, welches sich auf die physische Beanspruchung und somit Langzeitstablität auswirkt. Dieser Anlagentyp verfügt über drei Rotorblätter, die sich das Auftriebsprinzip zu eigen machen und in ihrem Aufbau mit dem von Flugzeugtragflächen vergleichbar sind. Die nächste Grafik veranschaulicht das Auftriebsprinzip: Eine gewölbte Oberfläche, auf die der Wind trifft, zwingt die vorbeiströmende Luft zu Ausweichbewegungen. Auf der nach außen gewölbten (konvexen) Oberseite muss die Luft daraufhin einen weiteren Weg zurücklegen, als auf der flacheren Unterseite. Dadurch ergeben sich auf beiden Seiten des Rotorblattes unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten sowie Luftdrücke. Infolgedessen entsteht eine physikalische Kraft, die das Rotorblatt in jene Richtung, wo der niedrigere Druck (Unterdruck) vorherrscht, in Bewegung setzt, also in Richtung der konvexen Oberseite.Rotorblattprofil Aufgrund der Anbringung der Rotorblätter an einer Rotornabe wird diese Bewegung in eine Drehbewegung entlang der Rotorachse übertragen. Die Achse, auf der die Rotornabe gelagert ist, bzw. um die sich der Rotor dreht, ist horizontal, also waagerecht ausgerichtet - es sind zwar auch Anlagen mit vertikaler Rotordrehachse in Gebrauch. Diese sind horizontalachsigen Anlagen jedoch in vielerlei Hinsicht unterlegen und daher weitaus seltener.

Zu der technischen Auslegung von Windenergieanlagen anhand von Kenngrößen wie spezifischer Leistung, Anlauf- und Nenngeschwindigkeit und wie eine Leistungskennlinie zu verstehen ist, gibt folgender Beitrag Auskunft: Technische Auslegung

 

Physikalische Leistung der Windenergie

Für die Anlagenbetreiber lohnen sich die höheren Kosten und Aufwendungen größerer Anlagen meist dennoch, was sich aus den physikalischen Prinzipien der Windenergie erklärt. Für das Verständnis entscheidend ist dabei das physikalische Verhältnis zwischen einer bestimmten Windgeschwindigkeit und der aus ihr zu gewinnenden Leistung, wie untenstehende Formel demonstriert:

Der mit einem Windrad erzielbaren Leistung liegt folgende Berechnungsformel zu Grunde:

P = ½ * cp * ρ * AR * vW³

P:        Leistung in W

cp:        Leistungsbeiwert =
            Betz´scher Faktor x Anlagenwirkungsgrad
            (Betz´scher Faktor ηBetz = 0,593;
            cp = ηBetz * ηReibung * ηmechanisch *
                   ηelektrisch)

ρL:        Luftdichte in kg/m³
            (bei Realbedingungen ≈ 1,225 kg/m³)

AR:       überstrichene Rotorfläche

vW:       Windgeschwindigkeit in m/s

 

 

 

Eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit beispielsweise bedeutet eine
Verachtfachung der erzielbaren Leistung:

P =  ½ * cp * ρL * AR * (2 * vW
       ½ * cp *
ρL * AR * 2³ * vW³ 
    ½ * cp *
ρL * AR * 8 * vW³

Wie aus dieser Formel ersichtlich wird, geht die Windgeschwindigkeit vW mit der dritten Potenz in die Leistungsberechnung ein, so dass sich Änderungen bei der Windgeschwindigkeit, noch vor allen anderen bestimmenden Einflussfaktoren, besonders deutlich auf die Anlagenleistung und damit die Stromerträge niederschlagen. Steigerungen bei der Windgeschwindigkeit, die durch den Bau größerer Masten erreicht werden, führen somit auf Seiten der Stromerzeugung und der finanziellen Erträge zu überproportional positiven Effekten.


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