Windenergie:

Wind ist eine Ausgleichsströmung zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten. Diese unterschiedlichen Luftdrücke werden durch unterschiedliche Sonneneinstrahlung bewirkt. In einem stark erwärmten Gebiet steigt die warme Luft auf und erzeugt einen Unterdruck in Bodennähe, der aus benachbarten Räumen Luft nachsaugt und schon entsteht eine Ausgleichströmung- Wind. Der Wind ist somit auch eine Art der Solarenergie. Diese atmosphärischen Gasströmungen beinhalten gewaltige Mengen an kinetischer Energie, die zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Energie genutzt werden können.

Es gilt nun diese Strömungsenergie in eine nutzbare Form zu wandeln. Die Windenergie wurde schon früh durch Windmühlen und durch Segelschiffe genutzt. Heute werden große Windkraftanlagen  mit enormen Durchmessern errichtet um Strom zu erzeugen.

Grundsätzliche Überlegungen zu Windkraftanlagen

Zur Nutzung der regenerativen, umweltfreundlichen Windenergie gibt es keine einzige, richtige Lösung für Design und Konstruktion von Anlagen.
Vorab müssen, wie auf allen Gebieten der Technik, Randbedingungen geklärt oder gewünschte Vorgaben gemacht werden.
Welche Energieform soll erzeugt werden? Denkt man an die Erzeugung von elektrischer Energie oder reicht es aus, mechanische Energie (drehende Welle) zum Betreiben einer Wasserpumpe aus dem Wind bereitzustellen?


Für die benannten Energieformen gibt es zwei unterschiedliche Geräte als Lösung. Zum Wasserpumpen gibt es keine bessere Konstruktion als die Vielblattrosette, die "western mill".
Denkt man allerdings an die hochwertige Stromwandlung, dann kommen nur Schnelläufer mit höchster aerodynamischer Güte in Frage.
Nicht alles was sich dreht ist eine effektiv windnutzende Anlage.

Anlagen-Arten:

Das Aufstellen einer Typologie aller möglichen Geräte ist nicht einfach, gelingt allerdings leicht, wenn man drei Kriterien als Unterscheidungsmerkmal heranzieht:

  1. - Achslage (horizontal/ vertikal),
    - Art der resultierenden Kraft (Auftrieb/ Widerstand)
  2. Schnelllaufzahl (Lambda=Umfangsgeschwindigkeit/ Windgeschwindigkeit) d.h. Langsamläufer/ Schnellläufer

Zur Grossansicht bitte Bilder klicken

Horizontal
Vertikal
Widerstand

Rotorblattzahl:

Jedes Rotorblatt mehr bringt auch etwas mehr an Leistung, jedoch nicht linear, d.h. der 2-Blatt-Rotor bringt gegenüber dem 1-Blatt-Rotor nicht die doppelte Leistung.
Ausserdem sollte man die Schnelllaufzahl beachten. Bei hohen Schnelllaufzahlen wird der Rotorblatt-Profileinfluss, d.h. der Reibungseinfluss immer grösser. Einen grossen Sprung im Leistungsbeiwert erzielt man durch eine Steigerung der Profilgleitzahl LDR und nicht durch eine Erhöhung der Rotorblattzahl z

(siehe folgendes Diagramm).

 

 

Bei kleinen Schnelllaufzahlen (Langsamläufer) wie den 'western mills', bringt jedes Blechrotorblatt einen merkbaren Sprung im Leistungsbeiwert. Viele Rotorblätter geben beim Langsamläufer auch ein hohes Startdrehmoment, dass besonders beim Pumpsystem erwünscht ist. Schnelläufer mit wenigen Rotorblättern haben Startprobleme, wegen des geringen Startmoments. In diesem Fall kann eine aktive Rotorblattverstellung die Anlaufeigenschaften verbessern.

Rotorposition:


Die Lage des Rotors in Leeposition, also hinter dem Turm drehend ist eine eigenstabile Lage. Dreht der Rotor vor dem Turm, also in Luvposition, so ist dies eine labile Position. Allerdings dreht der Rotor dort in einer noch ungestörten Strömung. Gibt man die Hochachse (Turmachse) frei wird ein vor dem Turm drehender Rotor bei einer kleinen Störung in Leeposition wandern, er will mit der Strömung "wegschwimmen".
Bei allen Horizontalachsen-Maschinen muss eine Windrichtungs-Nachführung eingebaut werden, ebenso muss eine Dämpfung der Nachführung um die Hochachse vorhanden sein, damit der Rotor nur anhaltenden neuen Windrichtungen nachgeführt wird (Aufschwingen vermeiden!).


Der billigste Mast ist der Gittermast. Dieser Mast ist aber für einen Rotor in der Leeposition ein absoluter Strömungskiller. In einem Turmschatten laufende Rotoren werden bei jedem Durchgang von allen Luftkräften befreit und damit einer enormen Biegelast unterworfen, womit sich die Lebensdauer deutlich verringert. Abgespannte, schlanke Rohrmasten haben kaum Schattenprobleme, noch weniger die heute üblichen freitragenden Stahlrohrtürme.

Schnelllaufzahl:
Die Theorie besagt, je höher die Schnelllaufzahl, desto höher die Leistung. Dieses theoretische Ergebnis führt zu immer schmaleren Rotorblättern. Man benötigt bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten nicht mehr so viel Profiltiefe für die notwendige Auftriebserzeugung.

Dieser Ansatz führt aber zu einem Statik/ Dynamik-Problem. Schlanke Rotorblätter werden auch dünner, der tragende Querschnitt für den Biegeträger wird zu klein, es gibt kein Material mehr das die notwendigen Festigkeitswerte aufweist. Der schlanke Träger neigt zum auskippen und wirkt im Betrieb wie eine Peitsche. Ein so aerodynamisch ausgereiztes Rotorblatt kann nicht mehr gebaut werden, nicht einmal mehr mit den besten Kohlefaser-Materialien.
Heutige Schnellaufzahlen liegen bei 6 bis 12. Die Umfangsgeschwindigkeit an der Blattspitze sollte 100 m/s möglichst nicht überschreiten. Bei gegebenem Durchmesser der Anlage lässt sich aus diesem Wert die Nenndrehzahl berechnen.

Für die Wandlung von frequenzkonstantem Wechselstrom (50 Hz in Deutschland, 60 Hz in den USA) wird von einer Generatordrehzahl von 1.500 U/min (1.800 U/min bei 60 Hz) auszugehen sein. Daraus ergibt sich das Übersetzungsverhältnis der Getriebeeinheit.

Installierte Leistung:
Die Windenergie stellt ein energiedünnes Medium dar. Wie bei der Nutzung der Solarenergie bedeutet dies, dass man für grosse Leistungen grosse Rotordurchmesser zur „Windabbremsung“ benötigt.
Eine konstruktive Grösse ist die Flächenleistung, d.h. die installierte Leistung in der Anlage bezogen auf die Rotorkreisfläche. Es muss somit entschieden werden, ob die Anlage eine konstante Leistung abgeben soll oder aber bis im Bereich höchster
Windgeschwindigkeiten betrieben werden soll.
Beispiel: Eine Kleinanlage mit 100 m² Rotorkreisfläche im Wind, d.h. 11,28 m Durchmesser, könnte mit einem Generator der Grösse 3, 5, 8 oder 10 kW bestückt werden. Die Flächenleistung beträgt dann 30, 50, 80 odet 100 Watt/m². Diese niedrige Belastung führt zu einer bestimmten Form der Leistungsdauerlinie.
Wird die gleiche Anlage, am gleichen Standort, mit einem 50 kW Generator ausgestattet ergibt sich eine Flächenleistung von 500 Watt/m². Die Struktur der Rotorblätter, der Lager, des Turmes usw. kann ohne grössere Probleme diese Leistung aufnehmen, allerdings wird sich nun eine etwas andere Leistungsdauerlinie ergeben.

Die Zeit im Jahr mit 50kW Leistung ist gegenüber der niedrig belasteten Maschine erheblich geringer, die Zeit mit Null-Leistung wird grösser ausfallen, da die stärkere Anlage zumeist eine höhere Anlaufgeschwindigkeit benötigt.

Erfahrene Windanlagen-Konstrukteure empfehlen:
- windschwache Gebiete:  30 bis 60 Watt/m², max. 100 Watt/m²
- windstarke Gebiete:  100 bis 300 Watt/m², max. 500 Watt/m²

 

 

 

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