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Wie wird Strom aus Windkraft erzeugt?

Windkraftkonverter (WKK)
Windkraftkonverter (WKK)
Foto: Molgreen, Animation:Amada44, CC-BY-SA

Schon die alten Holländer wussten, dass man die Kraft des Windes umwandeln kann, um damit Getreide zu mahlen oder Wasser zu punmpen. Aber wie funktioniert das genau? Und vor allem: wie funktioniert das bei heutigen Anlagen?

Eine Windkraftanlage wandelt die kinetische Energie des Windes in elektrische oder mechanische Energie um. Hierfür nutzt man eine Windturbine, die in der Regel aus Propellern besteht. Die Turbine kann an einen Generator angeschlossen werden, um Strom zu erzeugen.

Wenn der Wind auf die Flügel eines Windrades trifft, drückt es diese nach hinten. Dank ihrer besonderen Form wird ist der Druck auf der einen Seite des Blattes größer als auf der anderen. Um diese Druckdifferenz auszugleichen, bewegt sich der Flügel in die Richtung, auf der weniger Druck herrscht. Man kann auch sagen: eigentlich würde der Wind die Flügel nach hinten drücken, aber der er an einem Mast oder Turm befestigt ist, und dank der Flügelform, wird diese Druck-Energie zur Seite umgelenkt.

In der Folge beginnt sich das Windrad zu drehen. Die Windenergie wird also zunächst einmal in eine mechanische Energie umgewandelt - nämlich das Drehen des Windrades.

Windenergie
Windenergie

Das Rad treibt nun eine Welle an, mit der diese Drehbewegung in eine Turbine geleitet wird. Hier befindet sich ein Generator.

In diesem Generator sind entgegengesetzt geladene Magnete von Kupferdrahtschlaufen umgeben. Durch die Drehbewegung wird eine elektromagnetische Induktion erzeugt, die sich als Strom nutzen lässt.

Arten von Windkraftanlagen

Derzeit sind zwei verschiedene Arten von Windturbinen im Einsatz:

Horizontalachsen-Windturbinen (HAWT)

Offshore Windkraft-Anlage
Offshore Windkraft-Anlage (Nordsee)
Foto: © Hans Hillewaert, CC-BY-SA, Quelle Wikimedia

Horizontalachsen-Windturbinen (HAWT) haben die Hauptrotorwelle und den elektrischen Generator oben auf einem Turm und müssen in den Wind gerichtet sein. Kleine Turbinen werden von einer einfachen Windfahne ausgerichtet, während große Anlagen in der Regel einen Windsensor mit Servomotor verwenden. Die meisten haben ein Getriebe, das die langsame Rotation der Schaufeln in eine schnellere Rotation umwandelt, die für den Antrieb eines elektrischen Generators besser geeignet ist.

Jeder Festkörper erzeugt eine Spur hinter ihm, was zu Ermüdungsbrüchen führt, so dass die Turbine in der Regel gegen den Wind des tragenden Turms positioniert ist. Downwind-Maschinen wurden gebaut, weil sie keinen zusätzlichen Mechanismus benötigen, um sie mit dem Wind in Einklang zu halten. Bei starkem Wind können die Blätter auch gebogen werden, was ihre Kehrfläche und damit den Windwiderstand verringert. Bei Aufwindanlagen müssen die Turbinenschaufeln steif ausgeführt werden, um zu verhindern, dass die Schaufeln bei starkem Wind in den Turm geschoben werden. Zusätzlich werden die Blätter einen beträchtlichen Abstand vor dem Turm platziert und manchmal in kleinen Mengen in den Wind nach vorne gekippt.

Die Turbinen, die in Windparks zur kommerziellen Stromerzeugung eingesetzt werden, sind in der Regel dreiflügelig. Diese zeichnen sich durch eine geringe Drehmomentwelligkeit aus, was zu einer guten Zuverlässigkeit beiträgt. Die Blätter sind in der Regel weiß eingefärbt für die Tagessichtbarkeit von Flugzeugen und haben eine Länge von 20 bis 80 Metern (66 bis 262 ft). Größe und Höhe der Turbinen nehmen Jahr für Jahr zu. Offshore-Windenergieanlagen werden heute bis zu 8 MW gebaut und haben eine Blattlänge von bis zu 80 m. Übliche Stahlrohrtürme von Multi-Megawatt-Anlagen haben eine Höhe von 70 m bis 120 m und im Extremfall bis zu 160 m.

Die Messer rotieren mit 10 bis 22 Umdrehungen pro Minute. Bei 22 Umdrehungen pro Minute überschreitet die Spitzengeschwindigkeit 90 Meter pro Sekunde (300 ft/s).26][27] Höhere Spitzengeschwindigkeiten bedeuten mehr Lärm und Schaufelerosion. Ein Getriebe wird üblicherweise zur Erhöhung der Drehzahl des Generators eingesetzt, wobei auch der Direktantrieb eines Ringgenerators möglich ist. Einige Modelle arbeiten mit konstanter Drehzahl, aber mehr Energie kann durch Turbinen mit variabler Drehzahl gewonnen werden, die über einen Festkörper-Leistungswandler an das Getriebesystem angeschlossen werden. Alle Turbinen sind mit Schutzvorrichtungen zur Vermeidung von Schäden bei hohen Windgeschwindigkeiten ausgestattet, indem die Blätter in den Wind gefedert werden, der ihre Rotation einstellt und durch Bremsen ergänzt wird.

Vertikalachsen-Windturbinen (VAWT)

Offshore Windkraft-Anlage
Vertikalachsen-Windturbine (Kanada)
Foto: : Spiritrock4u at English Wikipedia,
CC-BY-SA, Quelle Wikimedia

Vertikalachsen-Windturbinen (oder VAWTs) haben die Hauptrotorwelle vertikal angeordnet. Ein Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Anlage nicht in den Wind gerichtet werden muss, um effektiv zu sein, was ein Vorteil an einem Standort mit stark variabler Windrichtung ist. Vorteilhaft ist es auch, wenn die Turbine in ein Gebäude integriert wird, da sie von Haus aus weniger steuerbar ist. Der Generator und das Getriebe können auch in Bodennähe platziert werden, indem ein Direktantrieb von der Rotoreinheit zum Getriebe am Boden verwendet wird, wodurch die Zugänglichkeit für Wartungsarbeiten verbessert wird. Diese Konstruktionen erzeugen jedoch deutlich weniger Energie im Zeitmittel, was ein großer Nachteil ist.

Zu den wesentlichen Nachteilen zählen die relativ niedrige Drehzahl mit dem daraus resultierenden höheren Drehmoment und damit höheren Kosten des Antriebsstrangs, der inhärent geringere Leistungskoeffizient, die 360-Grad-Drehung des Tragflügels innerhalb der Windströmung bei jedem Zyklus und damit die hochdynamische Belastung des Flügels, das pulsierende Drehmoment einiger Rotordesigns im Antriebsstrang und die Schwierigkeit, die Windströmung exakt zu modellieren und damit die Herausforderungen bei der Analyse und Auslegung des Rotors vor der Fabrikation zu meistern.

Wenn eine Turbine auf einem Dach montiert ist, lenkt das Gebäude den Wind in der Regel über das Dach und dies kann die Windgeschwindigkeit an der Turbine verdoppeln. Beträgt die Höhe eines auf dem Dach montierten Turbinenturms ca. 50% der Gebäudehöhe, ist er nahe dem Optimum für maximale Windenergie und minimale Windturbulenzen. Die Windgeschwindigkeiten in der bebauten Umwelt sind im Allgemeinen viel niedriger als an exponierten ländlichen Standorten, Lärm kann ein Problem darstellen und eine bestehende Struktur kann der zusätzlichen Belastung nicht ausreichend widerstehen.

Stromumwandlung mit Transformator

Der Strom, der durch die Nutzung der mechanischen Energie des Windes erzeugt wird, muss durch einen Transformator geleitet werden, um seine Spannung zu erhöhen und eine erfolgreiche Übertragung über weite Strecken (Stromkabel) zu ermöglichen. Am Zielort nehmen Kraftwerke und Sicherungskästen den Strom auf und wandeln ihn in eine niedrigere Spannung um, die für den sicheren Betrieb in Gewerbe und Haushalt geeignet ist.

 

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