Windenergie

- Entstehung von Wind, Bedeutung, Aufbau einer Windkraftanlage, Widerstand/ Auftriebsläufer, Verluste, Leistungsregelung (Pitch / Stall), Berechnungen (Leistungen, Leistungsbeiwert, Schnelllaufzahl)

/ Entstehung von Wind

Bei der Entstehung von Wind muss zwischen globalen Winden und lokalen unterschieden werden, das Prinzip ist jedoch das selbe.

 

Die globalen Winde werden durch die Temperaturunterschiede hervorgerufen. Der Grund dafür ist, dass die Sonne die Erdoberfläche nicht überall gleich stark erwärmt. Am Äquator treffen die Sonnenstrahlen nahezu senkrecht auf und erwärmen die dortigen Gebiet stark. Somit entstehen sehr hohe Lufttemperaturen, welche sich ausdehnt und durch die geringere Masse nun aufsteigt. Es entsteht ein Tiefdruckgebiet mit niedrigen Druck. An den Polen jedoch, trifft die Sonnenstrahlung in einem eher flachen Winkel auf. Die abgegebene Wärme kann fast vollständig von den kalten Böden absorbiert werden, was zu klagen Lufttemperaturen führt. Diese Luft zieht sich zusammen und es entsteht ein Hochdruckgebiet (hoher Druck). Zwischen den unterschiedlichen Regionen entsteht nun eine Luftzirkulation. Die warmen Luftmassen steigen auf, bis sie sich langsam wieder abkühlen (Dichte nimmt zu) und somit absinken. Außerdem strömt Luft aus den kalten Hochdruckgebieten in die Tiefdruckgebiete, da die ein Luftdefizite haben. Diese Strömungen sind als Wind erkennbar.

 

Bei lokaler Entstehung ist das selbe Prinzip vorhanden, bloß dass die Meer am Tage die Hochdruckgebiete darstellen (absorbieren mehr Wärme als Land) und das Land die Tiefdruckgebiete (hier steigt Luft auf). In der Nacht vertauschen sich beide Rollen, da das Meer mehr Wärme gespeichert hat, als das schnell abkühlende Land.


/ Bedeutung

Die Bedeutung von Windenergieanlagen nimmt stetig zu. Dafür gibt es folgende Gründe:

- Als wichtigstes ist zu nennen, dass die fossilen Brennstoffe wie Kohle, Gas zur Neige gehen werden und die Politik/ Wirtschaft deshalb bereits jetzt auf die erneuerbaren Energien setzt

- Bereits 2015 lieferte Windenergie 13,3% Strom an der Bruttostromerzeugung von Deutschland (BDEW Prognose für 2015)

- Somit war Deutschland im selben Jahr bereits auf Platz 1 in der EU/ auf Platz 3 Weltweit in Bezug auf die Windstromerzeugung mit 45000 Megawatt

- Mit der Windenergie werden auch viele tausend Arbeitsplätze geschaffen 

/ Aufbau Windenergieanlage

http://www.energienpoint.de/fileadmin/templates-energienpoint/Aufbau_eines_Windrades.png
http://www.energienpoint.de/fileadmin/templates-energienpoint/Aufbau_eines_Windrades.png

Eine Windkraftanlage besteht aus den gezeigten Bestandteilen im Bild. Dabei befinden sich innerhalb der Gondel das Getriebe, die Rotorbremse sowie den Generator zur Stromerzeugung. Damit die benötigte Drehzahl des Magneten im Generator konstant bleibt ist das Getriebe von enormer Bedeutung. Jener Generator wandelt die Rotationsenergie in elektrischen Strom um, welcher über die Netzleitung zum Netzanschluss transportiert wird. Damit allerdings überhaupt eine Rotation von den aerodynamisch geformten Rotorblättern funktionier, wird die Gondel durch die Windrichtungsnachführung in die richtige Stellung gebracht, also zum Wind gedreht. Die benötigten Daten liefern die Messinstrumente wie z.B. ein Anemometer. Sollte allerdings erkennbar sein, dass die Rotorblätter sich zu schnell/langsam drehen, werden die mit Hilfe der Blattverstellung angepasst.

 


/ Widerstand-/ Auftriebsläufer

Nicht nur nach der Richtung wie die Windenergieanlage ausgerichtet ist (luv - in Windrichtung gedreht, lee - vom Wind abgewandt) kann man die Anlagen unterscheiden. Es besteht auch ein Unterschied, wie dem Wind die Leistung 'entnommen' wird. Dafür gibt es folgende 2 Prinzipien, namens Wiederstands- und Auftriebsläufer.

Widerstandsläufer

- entnimmt dem Wind Leistung durch das Widerstandsprinzip

- Es wird eine Fläche direkt dem Wind entgegen gestellt. Trifft dieser nun auf diese Fläche, drückt der Wind sie in die Windrichtung. Dabei entsteht eine Energieübertragung, die man sich zu nutze machen kann.

- Beispiel dafür ist der Savonius-Rotor und das Wind Anemometer 

-> Jeder Widerstandsläufer wird zu den langsam Läufer gezählt

Auftriebsläufer

Bei den Auftriebsläufern gibt es 2 Prinzipen.

1: Die angeströmten Flächen werden gekippt um so aerodynamische Effekte auszunutzen. Der Wind trifft nun schräg auf diese Flächen und wird abgelenkt. Dadurch entsteht eine Rückstoßende Kraft (F Auftrieb), welche den Rotor bewegt. Die Flächen/Flügel sind an einer horizontalen Achse angeordnet.

Um die Effizienz zu steigern, benutzt man das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs (wie beim Flugzeug). Trifft ein Wind auf das Rotorblatt, so strömt die Luft oder und unterhalb des Blattes entlang. Durch die Wölbung, muss die Luft obern schnell entlangfließen als an der Unterseite. Somit entsteht oberhalb ein Sog und unterhalb ein Überdruck. Die Druckdifferenz erzeugt die Auftriebskraft welche senkrecht zur Anströmung gerichtet ist und zur Rotation führt.

-> Windanlagen die so funktionieren, sind als Schnellläufer bekannt

- Aber: je größer die Leistungsfähigkeit, desto geringer das Anlaufsmoment im Stillstand


/ Verluste

Wie bei jeder anderen 'Energieerzeugung' fallen Verluste an. Bei der Windenergie sind es folgende:

- 41% Leistung kann dem Wind physikalisch nicht entnommen werden

- 5% aerodynamische Verluste fallen an (Verwirbelungen, Turbulenzen, etc.)

- 4% mechanische Verluste im Lager und Getriebe 

- 5% elektrische Verluste in Generator, Trafo, Netzleitungen, Umrichter

- Des Weiteren fallen bei jeder Energieumwandlung thermische Verluste an, welche sich nicht vermeiden lassen

/ Leistungsregelung

Windkraftanlagen sollen elektrische Energie so billig wie möglich bereitstellen können. Darum sind sie so konzipiert, dass sie bei einer Windgeschwindigkeit von 15m/s maximale Erträge erzielen. Wenn die Windgeschwindigkeit jedoch stark über diesem Wert liegt (bei Sturm,...) muss eine Leistungsregelung eingesetzt werden um Schäden zu vermeiden. Dafür existieren folgende 2 Modelle.

 

Pitch-Regelung

Auch bekannt als Blattwinkel-Regelung, wird bei einer Anlage mit diesem Prinzip ständig die Leistungsabgabe gemessen. Wenn der Wert zu hoch liegt, wird ein Signal an den Blattverstellmechanismus gesendet. Dieser dreht nun die Rotorblätter leicht aus dem Wind. Umgekehrt funktioniert dies ebenfalls, so werden die Blätter wieder in den Wind gedreht, wenn die Leistungsabgabe niedriger wird. Das positive an der Anlage ist, dass immer ein Maximum an der möglichen Windenergie genutzt werden kann. Jedoch benötigt man dafür jene komplexe, hydraulische Blattwinkelverstellung. 

Stall-Regelung

Dieses Prinzip funktioniert durch Strömungsabriss. Dafür werden die Blätter fest und nicht verstellbar an der Rotornabe festgeschraubt. Die Blätter besitzen aber ein aerodynamisches Profil, was dazu führt, dass bei zu starken Wind Turbulenzen auf der windabgewandten Seite entstehen. Der entstehende Strömungsabriss bewirkt, dass die Auftriebskraft zusammenbricht und somit die Rotation verlangsamt. Da dieser Prozess nicht abrupt sondern allmählich einsetzen soll, ist das Rotorblatt entlang der Längsachse leicht verwunden. Der Vorteil von diesem Prinzip gegenüber der Pitch-Regelung ist, dass das komplexe, anfällige Regelsystem wegfällt. Allerdings kann nicht bei jeder Windgeschwindigkeit ein Maximum der Energie genutzt werden.

 


/ Berechnungen

Leistung des Windes

Beschreibt wie viel Leistung des Wind an der betrachteten Stelle mit sich führt.

Wind = 1/2 ρ A v^3 

ρ : ist die Dichte der Luft

A : ist der Flächeninhalt den die Flügel überstreichen

   -> A = π r^2   |r ist Radius der Rotorblätter

v : ist die Geschwindigkeit des Windes



Nutzbare Leistung

Wir haben gerade nur die Leistung berechnet, welche nutzbar ist, beschreibt diese Formel.

Windnutz = 1/2 cp ρ A v^3 

 

Es ist nur noch ein 'cp' hinzugekommen:

Dieses ist als Beiz-Wert/ Leistungsbeiwert bekannt und ist mit dem Wirkungsgrad vergleichlich. Der maximale Wert liegt bei 0,59



Leistungsbeiwert

Der Leistungsbeiwert ist das Verhältnis zwischen Primärenergie (Leistung des Windes) und jener Endenergie (elektrische Energie am Ende). Er dient als Indiz für die Effizients und er ist theoretisch höchstens 0,59 für einen Schnellläufer und auch je nach Bauart, Bedingungen,... unterschiedlich. 

cp = Primärenergie/ Endenergie

 

 



Schnelllaufzahl

Dies ist eins der wichtigsten Merkmale einer Windkraftanlage und wird berechnet, indem man die Blattspitzengeschwindigkeit durch die Windgeschwindigkeit rechnet. Es gilt je länger die Blätter und je schneller die Drehzahl, desto größer ist der Wert der Schnelllaufzahl (gleicher Windgeschwindigkeit).

λ= U/v = Blattspitzengeschwindigkeit/ Windgeschwindigkeit 

 

U wird manchmal auch als Usp beschrieben

U(sp) : ist die maximale Umfangsgeschwindigkeit 

v : Windgeschwindigkeit weit vor dem Rotor