Jonas  Stecher Physikalische Hintergründe und Funktionsweise von Windkraftanlagen  

Inhaltsverzeichnis

Vorwort   4

Einleitung.   4

1.  Die physikalische Windenergiewandlung  5

1.1  Das ideale Windrad nach Betz  5

1.2  Das reale Windrad  6

1.2.1  Der Wirkungsgrad  6

1.2.2  Die Schnelllaufzahl.  6

1.2.3  Die Drehzahl.  7

1.2.4  Das Drehmoment  7

2.  Die Aerodynamik des Rotors.  7

2.1  Die Kräfte am Rotorblatt  7

2.2  Rotorkonfiguration  8

2.2.1  Anzahl der Rotorblätter  8

2.2.2  Blattform.  9

2.3  Leistungsregelung.  10

2.3.1  Rotoren mit festen Blätter.  10

2.3.2  Rotoren mit Blatteinstellwinkelregelung.  10

2.4  Windrichtungsnachführung.  11

3.  Elektrisches System.  11

3.1  Der Generator.  11

3.2  Das Getriebe  12

3.3  Netzkopplung.  13

2

Jonas  Stecher Physikalische Hintergründe und Funktionsweise von Windkraftanlagen  

4.  Strukturbelastung.  13

4.1  Materialfrage des Rotors  13

4.2  Turm und Fundament  14

5.  Nachteile  15

Nachwort.   16

Quellenverzeichnis   17

Bildernachweis   18

3

Jonas Stecher Physikalische Hintergründe und Funktionsweise von Windkraftanlagen

Vorwort

Ich lebe in St. Valentin a. d. Haide, ein Dorf in einem

ziemlich windigen Gebiet. Dadurch kam ich bereits als Kind in Kontakt mit dem Wind, z.B. beim Drachensteigen. Als begeisterter Wind- und Kitesurfer habe ich die Kraft des Windes kennen und schätzen gelernt und erkannt, welch gewaltige Energiemengen sie birgt.

In Plagött, einem Weiler oberhalb St. Valentin, liefert bereits seit einigen Jahren ein kleines Windrad Strom zu Heizzwecken. Im Sommer wurde in der Nähe unseres Dorfes (Marein) ein Windrad der Megawatt-Klasse aufgestellt. Die Idee über Windkrafträder eine Facharbeit zu schreiben kam von unserem Physiklehrer

Rechenmacher Johann, der meine Arbeit betreute. Ihm möchte ich ein besonderes Dankeschön aussprechen.

In dieser Arbeit habe ich hauptsächlich die physikalischen Hintergründe und Funktionsweise von Anlagen mit Horizontalachsen-Rotoren beschrieben.

Einleitung

Durch die globale Klimaerwärmung sind heutzutage alternative, erneuerbare Energiequellen von besonderer Bedeutung.

Die Idee, die Kraft des Windes zu nutzen ist alt. Die Ursprünge der Windmühlen liegen wahrscheinlich in Persien und in China, vielleicht gab es aber auch bei den Ägyptern, Phöniziern und Griechen bereits Windräder. In Europa waren die Bockwindmühle im 13. Jh. und die Holländer-Windmühle die üblichsten Bauformen. In Amerika wurde im 19. Jh. die Amerikanische Windturbine zum Wasserpumpen bei Schwachwind erfunden.

In den ländlichen, noch nicht elektrifizierten Gebiete gab es um die Jahrhundertwende die ersten Versuche, aus Wind Strom zu erzeugen. Bereits in der ersten Hälfte des 20. Jh. war der „Windstrom“ mehr als ein Experiment. In Deutschland kam der entscheidende Impuls vom Aerodynamiker Albert Betz. Auch in der UdSSR, den USA und in Dänemark gab es bereits in den 30er Jahren starke Windkraftanlagen.

Die Ölkrise von 1973 löste ein Streben nach Ölunabhängigkeit aus und machte Windkraft aus Großanlagen wiederum interessanter. Anfang der 80er entstanden vor allem in Amerika (z.B. Kalifornien) die ersten großen Windfarmen.

Im 21. Jh. wird die Windkraft vor allem wegen dem Umweltschutz besonders interessant. Der Wind ist eine (noch) kostenlose, „immer“ zur Verfügung stehende Energiequelle, die genutzt werden kann, um andere Primärenergieträger zu entlasten.

4

Jonas Stecher Physikalische Hintergründe und Funktionsweise von Windkraftanlagen

1. Die physikalische Windenergiewandlung

Das Windrad ist eine Maschine, welche die kinetische Energie der bewegten Luft in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Im Modell des idealen Windrades werden die physikalischen Phänomene idealisiert und die Verluste vernachlässigt. In Wirklichkeit gibt es kein ideales, sondern nur ein reales Windrad.

Das ideale Windrad nach Betz 1 1.1

Die Gleichung von Betz beschreibt die Theorie des idealen Windrades. Die nachstehenden Formeln sind keine Herleitung (sehr lange und kompliziert), sondern eine zusammenfassende Erklärung der wichtigsten Ergebnisse.

Die kinetische Energie eines Luftstromes beträgt

•

⁼ m

Diese Leistung kann jedoch niemals umgesetzt werden, da sich die Luft auch hinter dem Rotor noch bewegen muss. Das ideale Verhältnis zwischen Windgeschwindigkeit vor dem v = v ) im Rotor ( ' v ) liegt vor, wenn gilt: 3 / 2 ' v Rotor ( 1 v ) und weit hinter dem Rotor ( 2 und

1

v =

π ⋅ = ² r A Man sollte wissen dass durch die Kreisformel die innere Hälfte des Windrades

nur 25 % der Gesamtleistung erbringen kann. Deshalb werden auch im Blattinnenbereich eher aerodynamische Zugeständnisse zugunsten der statischen Festigkeit gemacht (siehe 2.2.2).

¹ Albert Betz (1885 - 1968): Physiker und Aerodynamiker an der Versuchsanstalt Göttingen; verfasste 1926 das Werk „Windenergie und