Windkraftanlagen - Windenergie
Es ist eine schon sehr alte Idee, die Bewegungsenergie der Luft zu verwenden, um Arbeit verrichten zu lassen. Die Windmühle ist das älteste Prinzip der Nutzung unserer erneuerbaren Energiequellen.
Die modernen Windmühlen bestehen aus einem Rotor mit meist drei Rotorblättern und einem Generator zur Stromerzeugung. Bei modernster Technologie ist der Generator direkt auf der Achse des Rotors montiert. Der gesamte Kopf einer Windkraftanlage ist drehbar angeordnet, um sich immer genau in Windrichtung stellen zu können. Die Leistung einer Anlage ist von der Rotorkreisfläche und von der Windgeschwindigkeit abhängig. Letztere geht mit der dritten Potenz in die Leistungsberechnung ein, das heißt, dass bei 10% höherer Windgeschwindigkeit die Leistung um rund ein Drittel ansteigt. Somit lassen sich effektive Windkraftanlagen nur an ausgewählten Standorten effektiv betreiben. Windräder können sowohl an Land (on-shore) als auch Off-shore (im Meer) installiert werden.
Windenergie ist offensichtlich eine der billigsten Arten, Strom zu erzeugen. Dem gegenüber steht jedoch, zumindest bei On-shore-Anlagen, der optisch-ästhetische Eingriff in das Landschaftsbild gegenüber. In dicht besiedelten Gebieten ist das Bedürfnis nach ungestörter Landschaft größer, so dass sich eher Standorte in dünn besiedelten Landstrichen anbieten. In Deutschland sind ca. 23.000 MW installierte Leistung zu verzeichnen.
Ein Nachteil der Windkraftnutzung besteht, ebenso wie bei der Solarenergie, in der Notwendigkeit, Energie (für windarme Zeiten oder für Spitzenverbrauch) speichern zu müssen, wenn keine Möglichkeit besteht, den erzeugten Strom in ein Verbundnetz einzuspeisen. Bei Insellösungen ist dies regelmäßig der Fall.
Windkraftanlage - Aufbau
Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern, und einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe beherbergt. Es gibt auch Anlagen ohne Getriebe. Die Gondel ist drehbar auf einem Turm gelagert,
Bei modernen Windkraftanlagen zur Stromerzeugung sind die Rotorflügel aerodynamisch ausgelegt, das heißt, sie haben ein aerodynamisches Profil, das einen Auftrieb erzeugt, der in ein Drehmoment umgesetzt wird, das zum Antrieb des Generators dient. Die Rotorblätter sind verstellbar gebaut, um sie den Windverhältnissen anzupassen und somit die Effektivität der Anlage zu erhöhen.
Die so genannte „Installierte Leistung“ oder Nennleistung wird meistens auf Windgeschwindigkeiten zwischen 12 m/s und 16 m/s (Windstärke 6–7 Beaufort) ausgelegt. Oberhalb dieser Windgeschwindigkeit wird die Leistung der Anlage konstant gehalten, da sonst die Belastungen auf die Anlagenteile zu stark steigen und zu Überlastungen führen würden. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (bei Sturm) wird die Anlage abgeschaltet, um Schäden zu vermeiden.
Typische Daten für Turmhöhe, Rotordurchmesser und Nennleistung sind:
- Ca. 40 m Rotordurchmesser, 500 bis 600 kW Nennleistung, etwa 40 bis 65 m Nabenhöhe
- Ca. 70 bis 90 m Rotordurchmesser, 1,5 bis 3 MW Nennleistung, etwa 65 bis 114 m Nabenhöhe
- Ca. 112 bis 126 m Rotordurchmesser, 4,5 bis 6 MW Nennleistung, etwa 120 bis 130 m Nabenhöhe
Windräder - Bauformen
Bei der Anordnung eines Rotors auf einer horizontalen Achse muss dieser der Windrichtung nachgeführt werden. Dazu ist die Gondel mit einem so genannten Azimutlager horizontal drehbar auf dem Turm angebracht. Die Windrichtung wird bei großen Anlagen über einen Windrichtungsgeber ermittelt. Die Ausrichtung des Rotors in den Wind erfolgt dann mittels Elektromotoren.
Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse gibt es (unter anderem) in der Ausführung als Savonius-Rotor oder Darrieus-Rotor. Windkraftanlagen mit vertikalem Rotor haben bisher kaum eine wirtschaftliche Bedeutung erlangt.
Ein Beispiel für eine Windkraftanalge mit Darrieus-Rotor, der von dem Franzosen Georges Darrieus erfunden wurde, ist die 110 m hohe Anlage Éole in Le Nordais, Cap-Chat in Canada mit 4 MW Nennleistung.
Vorteile
- Man muss bei vertikal stehender Rotationsachse den Rotor nicht zur Windrichtung nachführen.
- Der Rotor ist meist Zweipunkt-gelagert, wodurch die Belastungen durch Gewicht, Schwingungen und andere mechanische im Betrieb auftretende Kräfte besser verteilt und aufgefangen werden können.
- Der Generator kann am Boden angeschlossen sein, was sowohl die Konstruktion vereinfacht, als auch den Betrieb sicherer macht.
Nachteil
Da sich die Flügel an einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotordrehachse auf einem Viertel des Rotordrehkreises in einer zur Strömung ungünstigen und energetisch nicht nutzbaren Position befinden, können sie also auch nur den Teil der Strömung in nutzbare Energie umwandeln, zu dem sie sich in einer dafür günstigen Stellung befinden. Also bestenfalls auf drei Vierteln ihres Drehkreises nutzen sie den Wind.
Energieumwandlung
Zur Stromerzeugung werden heute nur noch Synchrongeneratoren verwendet (und kaum noch Asynchrongeneratoren). Mithilfe von Frequenzumrichtern wird es somit möglich, auf ein Getriebe zu verzichten und die Generatoren mit der jeweiligen Rotordrehzahl direkt anzutreiben. Allerdings ist dies mit Nachteilen verbunden. Zum einem wird ein größerer Generatordurchmesser benötigt mit einem folglich höheren Generatorgewicht. Auch muss die mit der Drehzahl des Rotors schwankende Frequenz der erzeugten Wechselspannung zunächst in Gleichstrom umgeformt (gleichgerichtet) und dann mit einem Wechselrichter wieder in einen Wechselstrom umgeformt werden, um eine Einspeisung ins öffentliche Stromnetz zu ermöglichen.
Wenn die Windkraftanlage nur für den Eigenverbrauch konzipiert ist, ist eine Speicherung der erzeugten elektrischen Energie unumgänglich, um Zeiten zu überbrücken, in denen der Windgenerator keinen Strom erzeugt. Ein entsprechend bemessener Satz an Batterien versorgt die elektrischen Verbraucher mit Strom. Bei einer Verbindung zum öffentlichen Stromnetz ist der Bezug von Strom in windarmen Zeiten möglich, wobei dann die Speicherung entfallen kann. Andrerseits kann eine Einspeisung erfolgen, wenn der Eigenverbrauch die produzierte Energiemenge übersteigt.