Solare StromerzeugungWindkraft , AtmosphäreAuftriebsprinzip , Aerodynamische Grundlagen/Kennwerte
Windkraft
Windkraft bezeichnet die Umwandlung der horizontalen Bewegungsenergie (kinetischen Energie) der Luftmassen der Erde in elektrische Energie. Die ursprüngliche Energiequelle für die Windkraft ist eingestrahlte Lichtenergie der Sonne, die Differenzen im Strahlungshaushalt der Erde bewirkt. Die daraus entstehenden Energiegefälle äußern sich als Luftdruckunterschiede und führen zu Luftmassenbewegungen, um die Energiegefälle auszugleichen.
Die Zirkulation von Luft in der Atmosphäre ist u.a. darauf gerichtet, die Temperatur- und Luftdruckunterschiede (Energiepotentialdifferenzen) regelmäßig auszugleichen, so daß sich global ein charakteristisches System von Luftströmungen herausgebildet hat. Luftströmungen werden - wie auch Meeresströmungen - durch die Erddrehung abgelenkt (Corioliskraft). Bekannte Luftströmungssysteme sind z.B. die Passatwinde oder die Westwindzone der Mittleren Breiten, in welcher sich auch Mitteleuropa befindet.
Lokal existieren auch kleinräumige Windsysteme wie das See-/Landwindsystem oder das Berg-/Talwindsystem. Auch sie sind durch Differenzen im Strahlungshaushalt begründet, da sich die verschiedenen Oberflächen hinsichtlich Reflektions- und Erwärmungsverhalten voneinander unterscheiden.
Atmosphäre
Die Atmosphäre ist die Gesamtheit der die Erde umgebenden Lufthülle. Sie ist mehrere hundert Kilometer mächtig, ohne daß eine definierte Obergrenze bestimmt werden kann. Sie wird unterteilt in Troposphäre (ca. 7 km mächtig an den Polen und ca. 15 km am Äquator), Stratosphäre (bis ca. 50 km), Mesosphäre (bis ca. 100 km) und Thermo-/Ionosphäre. Die für Klima und Wetter maßgeblichen Vorgänge wie Wind und Niederschlag spielen sich in der Troposphäre ab.
Die Luftdichte ist mit 1,22 kg/m3 auf Meeresniveau weitgehend konstant. Die mittlere Zusammensetzung der unteren Atmosphäre beträgt bei trockener Luft:
Stickstoff (N2)
Sauerstoff (O2)
Argon (Ar)
Kohlendioxid (CO2)
ca. 78 %
ca. 21 %
ca. 1 %
ca. 0,034 %
Der Wassergehalt schwankt etwa zwischen 0-4 Vol.% in Abhängigkeit der temperaturabhängigen Wasserdampfsättigung.
Windstärke
Die Windstärke (Windgeschwindigkeit) hängt von der Differenz der Energiepotentiale der Regionen ab, zwischen denen die Luftmassenbewegung stattfindet. Die Windgeschwindigkeiten werden im Abstand von 10 m Höhe über der Geländeoberkante ermittelt, angegeben wird ein Durchschnittswert, im allgemeinen das Mittel aus 10 Minuten. Deutschland liegt in der Westwindzone und hat eine mittlere Windgeschwindigkeit von ca. 4 m/s, wobei ca. 70 % des Jahres ein Wind von <5 m/s weht. Die Windgeschwindigkeit ist aufgrund von Reibungseffekten sehr stark höhenabhängig und nimmt nach oben zu. Die Windstärken werden üblicherweise entsprechend der nachfolgenden Skala gegliedert:
Windstärke
Bezeichnung
Geschwindigkeit (m/s)
Energiegehalt (W/m2, ca.)
0
Windstille
0-0,2
0-0,005
1
leichter Zug
0,3-1,5
0,02-2,0
2
leichte Brise
1,6-3,3
2,5-20
3
schwache Brise
3,4-5,4
25-95
4
mäßige Brise
5,5-7,9
100-300
5
frische Brise
8,0-10,7
310-740
6
starker Wind
10,8-13,8
760-1.580
7
steifer Wind
13,9-17,1
1.610-3.000
8
stürmischer Wind
17,2-20,7
3.050-5.350
9
Sturm
20,8-24,4
5.400-8.750
10
schwerer Sturm
24,5-28,4
8.850-13.800
11
orkanartiger Sturm
28,5-32,6
13.900-21.000
12
Orkan
>32,7
>21.000
Energiepotential
Die Bewegungsenergie der Luftmassen der Erde umfaßt eine Leistung von ca. 3.000 TW.
Charakteristisch für die Windenergie ist ihre unregelmäßige Schwankung. Dies sowohl zeitlich (Jahreszeiten, Wetterlage, böiger Wind, Dauer annähernd gleicher Geschwindigkeit) als auch örtlich (global, regional, lokal, Windrichtung).
Als Grenze für eine wirtschaftliche Windenergienutzung gilt gemeinhin eine Geschwindigkeit von 4 m/s im Jahresmittel in 10 m Höhe über dem Boden. In Deutschland wird dieser Wert regelmäßig in den Küstengebieten (Gürtelbreite ca. 100 km) und auf Kuppen und begünstigten Lagen von Mittelgebirgen und Alpen erreicht.
Die Leistung, die mit Windenergie zu erzielen ist, ist proportional der Luftdichte r , der durchströmten Fläche A (gemessen senkrecht zur Windrichtung) und der Windgeschwindigkeit v in der dritten Potenz.
P = r / 2* A * v3 (W)
Daraus folgt, daß insbesondere bei wechselhaften Windverhältnissen (Böen) enorme Leistungsschwankungen an der Windkraftanlage auftreten (z.B. entsprechen 4 m/s Windgeschwindigkeit ca. 40 W/m2 durchströmte Fläche, 8 m/s ca. 310 W/m2).
Neue Windkraftanlagen in der Größenordnung von 1 MW installierter Leistung können je nach Standort einen jährlichen Stromertrag von ca. 1.800.000 bis 2.500.000 kWh erbringen.
Die wirksame vom Wind durchströmte Fläche A wird einerseits begrenzt durch den Rotordurchmesser und andererseits durch den meist vorhandenen Innenkreis um die Rotorachse, in welchem die Rotorblätter zur Nabe hin enden.
Die theoretisch ermittelte im Wind enthaltene Leistung ist der Tabelle der Windstärkeskala zu entnehmen. Die unteren und oberen Windgeschwindigkeiten stehen für eine Nutzung derzeit aus wirtschaftlichen bzw. technischen Gründen nicht zur Verfügung.
Neben der Leistungsshöhe der Windenergie und ihrer zeitlichen Verteilung ist auch die Zeit ohne nutzbare Windenergie von wirtschaftlicher Bedeutung. Die Zeiten unterhalb einer Mindestwindgeschwindigkeit werden als mittlere Flautendauer ermittelt. Diese liegt in Küstenregionen bei ca. 5 Std. und im Binnenland bei bis zu 40 Std.
Im Gegensatz zu anderen Energiequellen, die konstant zur Verfügung stehen und bei denen die Leistung mit der Nutzungs- bzw. Betriebsdauer multipliziert den Energieertrag ergibt, muß bei der Windenergie die Leistung, die mit der Geschwindigkeit stark schwankt, über die Zeit integriert werden. Üblicherweise wird dies über die Häufigkeitsverteilung bestimmter Geschwindigkeitsklassen und deren Aufsummierung erreicht.
Auftriebsprinzip
Die Rotorblätter einer Windkraftanlage nutzen zur Konversion der Bewegungsenergie in mechanische Energie das Auftriebsprinzip. Dieses Prinzip, welches seine Kraft aufgrund von Druckunterschieden in Luv- und Leeseite beim Umströmen von Körpern entfaltet, wird seit jeher in der Segelschiffahrt und seit langem in der Luftfahrt genutzt. Der Unterschied bei der Windkraftnutzung besteht darin, daß die Rotorblätter als im Zentrum befestigte Hebelarme sich um eine Achse drehen und somit ein Drehmoment ausüben, dessen Kraft auf einen Generator übertragen werden kann.
Der Auftrieb ist die Resultierende aus zwei Kräften, der Auftriebskraft und der Widerstandskraft. Beide Kräfte hängen maßgeblich vom Winkel des Rotorblattes zur Windrichtung ab.
Aerodynamische Grundlagen/Kennwerte
Die Bewegung der Luftmassen stellt physikalisch eine Strömung dar (Wind). Es werden dabei zwei Zustände unterschieden, die laminare und die turbulente Strömung. Kriterium für die Unterscheidung ist die Bildung von Verwirbelungen, also das Abweichen einzelner Teilströme von der Hauptströmungsrichtung. Der Grad der Turbulenz hängt neben der Windgeschwindigkeit und der Luftdichte vor allem von der Beschaffenheit der Erdoberfläche, der Rauhigkeit, ab. Je unregelmäßiger die Oberfläche, desto höher die Reibung des Windes an der Oberfläche und desto stärker die Verwirbelung des Windes und die Abnahme der Windenergie.
Turbulente Strömung kann über das Auftriebsprinzip nicht zur Energiegewinnung genutzt werden. Für Windkraftanlagen ergibt sich hieraus die Forderung nach Mindestabständen von Hindernissen, die zur Verwirbelung der Luftströmung führen können. Üblicherweise wird die Hindernishöhe multipliziert mit dem Faktor 20 als ausreichende Entfernung erachtet. Der einzuhaltende Abstand zwischen Windkraftanlagen in einem Windpark sollte das 10- bis 40-fache des Rotordurchmessers betragen.
Grundsätzlich gilt, daß mit steigender Höhe sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Gleichmäßigkeit, mit der diese Windgeschwindigkeit auftritt, ansteigen. Dies ist auch bei der Auslegung von Windkraftanlagen mit großen Rotorblättern unter dem Aspekt der Momentenstöße zu beachten, da zeitgleich Blätter des gleichen Rotors verschiedenen Windgeschwindigkeiten unterliegen können.
Die optimale Nutzung eines Windkonverters ist gegeben, wenn die durch die Rotorfläche geströmte Luft gerade noch genug Energie zum Wegströmen besitzt, um keine Bremswirkung zu entfalten. Theoretisch und empirisch ist hierfür der Punkt ermittelt worden, an dem die Geschwindigkeit des Windes beim Durchtritt durch die vom Rotor beschriebene Fläche auf gut ein Drittel reduziert wird. Der aerodynamische Wirkungsgrad (Leistungsbeiwert) des Konverters ist damit von vornherein auf maximal ca. 60 % begrenzt. In der Praxis werden Leistungsbeiwerte von 40-50 % erreicht, die zu Gesamtwirkungsgraden (incl. der Teilwirkunsgrade von Rotor, Getrriebe und Generator) bei Windkraftanlagen von ca. 35 % führen.
Der Leistungsbeiwert ist als Funktion der Schnellaufzahl (s.u.) einer Windkraftanlage darstellbar, wobei Anlagen mit einem maximalen Leistungsbeiwert im Schnellaufzahlbereich von 1-3 als Langsamläufer und Anlagen mit einem maximalen Leistungsbeiwert im Schnellaufzahlbereich oberhalb 5 als Schnelläufer bezeichnet werden.
Die Schnellaufzahl ist definiert als das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblattspitzen zur Windgeschwindigkeit, bei gegebener Konstruktion also das Verhältnis von Drehzahl zu Windgeschwindigkeit.
Da der Leistungsbeiwert in Abhängigkeit der Schnellaufzahl ein ausgeprägtes Maximum erreicht, ergibt sich, daß bei Änderung der Windgeschwindigkeit die Drehzahl des Rotors angepaßt werden müßte, um eine konstante Schnellaufzahl und damit maximalen Leistungsbeiwert zu erzielen (Windführung). In der Praxis wird häufig mit konstanter Drehzahl gearbeitet, die anhand der statistisch am Standort wahrscheinlichsten Windgeschwindigkeit ermittelt wird.
Hinsichtlich der Anlagengröße ist zu beachten, daß mit zunehmender Rotorblattlänge für eine bestimmte Schnellaufzahl die tatsächliche Drehzahl abnimmt (aufgrund der Abhängigkeit der Umfangsgeschwindigkeit vom Radius). Dies kann zu einer optischen "Beruhigung" von Windkraftanlagen genutzt werden.
Windkraftanlagen
Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahrhunderten bekannt. Üblich war früher die Nutzung der mechanischen Energie (Windmühlen), heute steht die Erzeugung elektrischer Energie im Vordergrund.
Moderne Windkraftanlagen arbeiten weit überwiegend nach dem Auftriebsprinzip, wobei aerodynamisch geformte Rotorblätter, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden, eingesetzt werden. Gegenüber diesen Auftriebsrotoren erreichen Widerstandsrotoren maximal einen Leistungsbeiwert von ca. 35 %, da die Rotorflächen auf dem Rückweg gegen den Wind geführt werden müssen.
Mit diesem Prinzip einhergehend werden die heutigen Windkraftanlagen zumeist mit Horizontalachsenrotoren ausgestattet, die der Windrichtung nachgeführt werden müssen. Sie erfordern die Installation des Generators in der Turmspitze. Vertikalachsenrotoren ermöglichen demgegenüber eine ebenerdige Aufstellung des Generators und benötigen keine Windnachführung. Sie weisen jedoch geringere Wirkungsgrade auf und benötigen teils eine Anlaufhilfe. Bekannt als Vertikalsysteme sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.
Am gebräuchlichsten ist die Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrer installierten Leistung, wobei bislang in Kleinanlagen (< 70 kW, ca. 25 m hoch), mittlere Anlagen (70-750 kW, ca. 40-65 m hoch) und Großanlagen (>750 kW, ca. 60-100 m hoch) unterschieden wurde. Es ist nicht auszuschließen, daß diese Einteilung zukünftig überholt wird, bereits heute hat sich unter Neuanlagen die "Megawatt-Klasse" etabliert, und ein Ende dieser Entwicklung ist insbesondere im Zusammenhang mit Offshore-Anlagen nicht definierbar.
Für die Leistungsregelung stehen verschiedene Systeme zur Verfügung. Das einfachste Verfahren ist das Herausdrehen aus dem Wind, welches als Grobregelung für hohe Windgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann. Die Stall-Regelung stellt ebenfalls eine relativ grobe Regelung nach dem Prinzip des Strömungsabrisses dar, energetisch günstiger ist die Blattwinkelregelung, die durch stufenlose Regelung des Anstellwinkels der Rotorblätter vorgenommen wird.
Zur Reduzierung von Momentenstößen beim Durchgang des Windes durch den Turmschatten wird die Horizontalachse des Rotors üblicherweise leicht geneigt, um den Abstand zwischen unteren Rotorblättern und Turm zu vergrößern.
Aufbau
Eine Windkraftanlage besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:
Fundament, Erdung, Mast
Die Masten weisen üblicherweise eine Höhe von 10 m bis 100 m auf, wobei mit zunehmender Höhe nicht nur der Energieertrag steigt, sondern auch die Errichtungskosten aufgrund der aufwenigeren Statik. Sie werden aus Stahl oder Beton (Holz nur bei sehr kleinen Masten) errichtet und dienen der Aufnahme von Gondel, Rotorblätter, Getriebe, Rotorwelle und Generator.
Gondel
Die Gondel bildet Grundrahmen, Träger und Verkleidung zur Aufnahme und Befestigung von Getriebe und Generator. Sie dient der Aufnahme aller an der Mastspitze auftretender Kräfte und Momente.Rotorblätter
Die Anzahl der Rotorblätter ist für den energetischen Wirkungsgrad unbedeutend. Je weniger Blätter eingesetzt werden, um so höher ist die Drehzahl der Anlage, um in gleicher Zeit die gleiche Fläche nutzen zu können. Zur Mitte hin sind die Rotorblätter meist als Holmverbindung ohne aktive Fläche konstruiert, da das Verhältnis zwischen Nutzen (Hebelarm, Strömungsfläche) und Aufwand nach innen deutlich ungünstiger wird. Die modernen Rotorblätter werden aus Kunststoff (GFK, CFK) gefertigt.Getriebe
Das Getriebe sorgt für die Übersetzung der vergleichsweise geringen Rotordrehzahl auf die installierte Nenndrehzahl des Generators.Rotorwelle
Die Rotorwelle stellt die Verbindung zwischen Rotor und Getriebe dar.Generator
Als Generatoren sind sowohl Synchron- als auch Asynchron-Generatoren einsetzbar.
Anwendungsbereiche
Windkraftanlagen werden heute fast ausschließlich zur Erzeugung elektrischer Energie errichtet.
Da die erzeugte Energie bislang nur mit beträchtlichem Aufwand gespeichert werden könnte, wird davon in den meisten Fällen Abstand genommen und der Strom direkt in das Verbundnetz eingespeist. Die Windenergie steht somit unregelmäßig und unvorhersehbar zur Verfügung, wobei durch das bundesweite Verbundnetz ein Sockelbetrag an Windkraft jederzeit sichergestellt sein dürfte. Steuerungs- und abrechnungstechnisch sind hier allerdings zusätzliche Aufgabenstellungen zu bewältigen.Sonderformen der Nutzung von Windkraft stellen das Aufwindkraftwerk und der Windhamster dar. Eine Beschreibung des Aufwindkraftwerkes findet sich unter der Rubrik Solarwärme, da keine natürliche Luftströmung sondern ein technisch durch Solarwärme erzeugter Wind genutzt wird. Der Windhamster ist nach Kenntnis der Redaktion nicht mehr am Markt präsent, nachdem eine Versuchsanlage in der Nähe Dresdens seit Jahren nicht mehr in Betrieb ist. Die Anlage soll nach dem Prinzip des Wirbelstroms gearbeitet haben und einen im Baukörper befindlichen Rotorkörper anstelle von außenliegenden Rotorblättern verwandt haben.
Aktuelle Entwicklungen
Die Technik der Windkraftnutzung ist seit einigen Jahren weitgehend ausgereift. Aktuelle Entwicklungen beziehen sich auf die Einsatzmöglichkeiten, z.B. Off-Shore-Anlagen an den Nord- und Ostseeküsten, oder auf Verbesserungen einzelner Komponenten, wie z.B. die eigens für die Megawattklasse entwickelten Leichtgetriebe, die die Kräfte direkt von der Nabe auf das Getriebe übertragen und so auf die schwere Rotorwelle verzichten können.
Generell ist eine Tendenz zu immer leistungstärkeren Anlagen zu beobachten, so ist z.B. in einem Förderprojekt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie eine 4 MW Anlage (ca. 130 m hoch) in der Entwicklung. Mit diesen Großanlagen geht auch eine Vergrößerung des erforderlichen Mastes einher. Diese Masten von über 100 m Höhe finden nicht immer die Zustimmung der Genehmigungsbehörden und Anwohner, so daß ein Wettbewerb um windträchtige und gleichzeitig genehmigungsfähige Standorte eingesetzt hat.
Hinsichtlich der Leistungsregelung geht man bei großen Anlagen zunehmend zu einer Drehzahlanpassung in Kombination mit einer Blattwinkelregelung über. Hiermit werden die Kraftstöße durch den Wind besser vom Gesamtsystem abgefedert.
Insbesondere bei Offshore-Anlagen ist der Einsatz von Fehlererkennungssystemen sinnvoll, die bereits im Frühstadium auf mögliche Störungsquellen hinweisen. Eingesetzt werden hierzu Meßsysteme, die Schwingungen oder Körperschallfrequenzen aufnehmen. Nach Untersuchungen des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik (ISET), Kassel, beruhen ca. 40 % der Störungen in Windenergieanlagen auf Bauteildefekten oder -lockerungen. Die Wirtschaftlichkeit von Fehlerfrüherkennungssystemen beruht maßgeblich auf der Anerkennung der Schadensvorsorge durch das jeweilige Versicherungsunternehmen. Die Optimierung der Systeme und Anpassung an verschiedene Windkraft-Bautypen ist noch Gegenstand von Forschungsprojekten.
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