Stromerzeugung aus Windkraft und Speicherung mit Kondensatoren

Inhaltsverzeichnis

1.Einleitung

2. Theoretische Einführung - Windkraft
2.1 Geschichte
2.2 Funktion und Bauweise
2.2.1 Rotor
2.2.1.1 Form der Rotorblätter
2.2.1.2 Anzahl der Rotorblätter
2.2.2 Getriebe
2.2.3 Generator
2.3 Standortauswahl
2.4 Probleme
2.4.1 Vögel
2.4.2 Schallimission
2.4.3 Windstärkeschwankungen

3. Theoretische Einführung - Kondensatoren
3.1 Aufbau
3.2 Parallelschaltung
3.3 Reihenschaltung
3.4 Berechnung der gespeicherten Ladung
3.5 Berechnung der gespeicherten Energie
3.6 Berechnung der Leistung

4. Beschreibung der Versuchsreihen
4.1 Versuchsreihe 1: Erzeugte Spannung und Stromstärke
4.2 Versuchsreihe 2: Aufladeverhalten verschiedener Kondensatoren
4.3 Versuchsreihe 3: Betreiben eines Motor
4.4 Versuchsreihe 4: Betreiben einer Leuchtdiode

5. Ergebnisse der Versuchsreihen
5.1 Versuchsreihe 1: Erzeugte Spannung und Stromstärke
5.2 Versuchsreihe 2: Aufladeverhalten verschiedener Kondensatoren
5.3 Versuchsreihe 3: Betreiben eines Motors
5.4 Versuchsreihe 4: Betreiben einer Leuchtdiode

6. Diskussion der Ergebnisse
6.1 Versuchsreihe 1: Erzeugte Spannung und Stromstärke
6.2 Versuchsreihe 2: Aufladeverhalten verschiedener Kondensatoren
6.3 Versuchsreihe 3 und 4: Betreiben eines Motors und einer Leuchtdiode
6.4 Fehlerbetrachtung

7. Reflexion
7.1 Einsatzmöglichkeiten
7.2 Verfügbarkeit
7.3 Persönliches Fazit

8. Literaturverzeichnis

9. Stichwortverzeichnis

10. Anhang

Bild- und Graphikenverzeichnis

Abbildung I: Funktionsweise einer Windkraftanlage

Abbildung II: Aufbau des eigenständig gebauten Windrades

Abbildung III: Kondensatoren beim Laden

Abbildung IV: Zeit-Spannungs-Diagramm

Abbildung V: Zeit-Ladungs-Diagramm

Abbildung VI: Zeit-Gespeicherte Energien-Diagramm

Abbildung VII: Ladung-Laufzeit-Diagramm

1. Einleitung

Im Erneuerbaren-Energien-Gesetz von 2009 wurde festgelegt, dass bis 2050 80% des Bruttostromverbrauchs aus erneuerbaren Energien erzeugt werden soll, um fossile Energieressourcen zu schonen. So werde ich mich im Folgenden mit der Möglichkeit der Energiegewinnung durch Windkraft und deren Speicherung mit Hilfe von Kondensatoren befassen.

2. Theoretische Einführung - Windkraft

2.1 Geschichte

Schon sehr früh erkannte der Mensch, dass die Kraft des Windes nicht nur zerstörerisch, sondern auch gut nutzbar sein kann.

Nach Heier (2007) soll schon 1700 v. Chr. die Ebene Mesopotamiens mit Windrädern bewässert worden sein. Zu Beginn des Mittelalters breiteten sich Windmühlen über den gesamten Mittelmeerraum aus, dabei wurden Segelwindmühlen einerseits für das Pumpen von Wasser und andererseits für das Mahlen von Mehl verwendet. Im 11. Jh. erschienen die ersten Windmühlen in Holland, wo sie hauptsächlich der Entwässerung von Gebieten dienten, die unter dem Meeresspiegel lagen. Zur Beseitigung des Wassermangels Mitte des 19. Jh in den USA wurde das sogenannte Westernwindrad zum Pumpen von Wasser entwickelt. Diese Art von Windrädern besaß circa 20 Metallflügel und wies einen Durchmesser von 3 bis 5 Metern auf. Zu Beginn des 20. Jh wurden viele Großprojekte zur Windkraft in Deutschland geplant, mit welchen erstmals Strom erzeugt werden sollte. Allerdings wurde keines umgesetzt, sie scheiterten an zu hohen Rotordrehzahlen. Zu wichtigen Weiterentwicklungen kam es erst ab den 90ern (Heier, 2007).

2.2 Funktion und Bauweise

Durch die unterschiedlich starke Erwärmung der unteren Luftschichten in der Atmosphäre durch die Sonneneinstrahlung steigt erwärmte Luft auf, wobei an anderer Stelle kältere Luft absinkt. Die dadurch entstehenden Druckunterschiede sorgen für Luftbewegungen (Netzwerk Natursissenschaft und Technik, 2007). Dieser Wind treibt Rotoren an, welche sich allerdings erst bei Windgeschwindigkeiten von 4 m/s zu drehen beginnen. Bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 20 m/s ist ein Betrieb der Windkraftanlagen allerdings auch nicht mehr möglich (Bader und Oberholz, 2007). Da direkt über dem Boden die Windgeschwindigkeit deutlich geringer ist als in Höhen (Beitz und Grote,1997), befinden sich die Naben der Windkraftanlagen meist in einer Höhe von 100m oder mehr. Dort befindet sich die Ekman-Schicht, in welcher der Wind weniger turbulent ist, als in der Prandtl-Schicht (direkt über dem Boden), was auch die obengenannte höhere Windgeschwindigkeit hervorruft (Geitmann, 2010).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung I: Funktionsweise einer Windkraftanlage

Quelle: http://www.steckdose.de/tl_files/artikel/strom/windkraftanlage.jpg

2.2.1 Rotor

Der Rotor wandelt Windenergie in mechanische Rotationsenergie um und stellt somit das Herzstück einer jeden Windkraftanlage dar (Gasch und Twele, 2011). Bei den meisten Windkraftanlage befindet sich der Rotor vor dem Turm, auf welchem er montiert ist. Diese Art von Windkraftanlage nennt man Luvläufer (Geitmann, 2010). Leeläufer haben den Rotor hinter dem Turm, dies hat den Nachteil, dass sich die Rotoren durch die hinter dem Turm entstandenen Luftwirbel bewegen müssen, was zur Folge hat, dass es zu Störgeräuschen und differenzierten Belastungen kommt (Gasch und Twele, 2011).

2.2.1.1 Form der Rotorblätter

Heutzutage weißen Rotorblätter ein asymetrisches Profil auf, wobei der Weg der Luft auf der Oberseite deutlich länger ist als auf der Unterseite. So strömt auf der Oberseite die Luft sehr viel schneller, was einen Unterdruck erzeugt (Geitmann, 2010). Die durch den Unterdruck entstehende Kraft nennt man Auftriebskraft, sie sorgt mit dafür, dass sich der Rotor zu drehen beginnt. Zu Beginn der Geschichte der Windenergie wurden ausschließlich ebene Profile für die Rotoren genutzt, da noch nichts Anderes bekannt war. Die Rotorform basierte damals ausschließlich auf der Widerstandsnutzung (Heier, 2007).

2.2.1.2 Anzahl der Rotorblätter

Heutige Windkraftanlage sind meist mit drei Rotorblättern ausgestattet. Man versucht aus finanziellen Gründen die Anzahl der Rotorblätter möglichst gering zu halten. Mit drei Rotorblättern läuft ein Rotor stets sehr ruhig, sowohl mechanisch als auch optisch (Geitmann, 2010).

2.2.2 Getriebe

Heutige Rotoren drehen mit sich verhältnismäßig geringen Umdrehungszahlen von 6-40U/min. Durch ein Getriebe wird die Umdrehungszahl auf 1000-1500 U/min gesteigert. Dies hat den Vorteil, dass sich die Rotoren nicht allzu schnell drehen müssen, was zu einer optischen Ruhe führt. Bei getriebelosen Lösungen, drehen sich die Rotoren sehr schnell, was an den Flügelspitzen Geschwindigkeiten von bis zu 280km/h zur Folge hat. Dies sorgt für eine starke Lärmemission, denn die Schallerzeugung ist bei Rotoren mit 60m Durchmesser in der 5.Potenz mit der Rotorspitzengeschwindigkeit verbunden.

So sollte die Blattspitzengeschwindigkeit nie 300km/h überschreiten (Geitmann, 2010).

2.2.3 Generator

Zur Wandlung der mechanischen Rotationsenergie in elektrische Energie wird ein Generator benötigt. Dieser umfasst mindestens ein ruhendes (Stator) und ein bewegliches Hauptelement (Rotor). Durch die Drehung des Rotors wird ein Ladungsungleichgewicht zwischen den elektrischen Leitern erzeugt (Beitz und Grote, 1997).

2.3 Standortauswahl

Die optimale Windgeschwindigkeit von 4 bis 20m/s tritt in Deutschland zumeist in Küstenregionen auf. 30-80% der Zeit bewegt sich die Luft dort mit den solchigen Geschwindigkeiten (Bader und Oberholz, 2007). "Windenergie leistet einen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung" (Beitz un Grote,1997). Onshore Windkraftanlagen (auf dem Land) ergeben nur dort Sinn, wo es große freie Flächen gibt, ohne Gebäude und Wälder, welche den Wind abbremsen. Auch gilt es zu beachten, inwiefern die Geräuschemission und der Schattenwurf Anwohner möglicherweise stören kann. Dabei ist ein Mindestabstand von 1000-1500m einzuhalten (Geitmann, 2010). Um Netzsysteme besonders intensiv zu nutzen und so Kosten beim Bau und beim Betrieb zu ersparen, werden bei Windkraftanlagen meist Parklösungen angestrebt. Diese Frorm der Anlagen weißt allerdings den Nachteil auf, dass manche Windkraftanlagen im Windschatten anderer stehen und so vermehrten Turbulenzen ausgesetzt sind, was zu einer Gewinnverringerung führt (Heier, 2007).

2.4 Probleme

2.4.1 Vögel

Jährlich kommen in Deutschland rund 200 000 Vögel und 250 Fledermäus durch die Kollision mit Windkrafträdern ums Leben. Diese anfänglich sehr hoch klingende Zahl ist aber durch die fünf bis zehn Millionen Vögel, welche durch Straßenverkehr und Stromleitung getötet werden, zu relativieren (Samulat, 2012).

2.4.2 Schallimission

Ein weiters Problem, welches durch Windkraftanlagen verursacht wird, ist eine unangenheme Geräuschkulisse, welche zu Teils auch in sehr nieder frequenten Bereichen abläuft und so manchmal für den Menschen nicht hörbar ist (Gasch und Twele, 2011)

2.4.3 Windstärkeschwankungen

Windkraftanlagen liefern je nach Wetterlage nicht gleichmäßig viel, sondern schwankend Energie für das Stromnetz. Zur Zeit müssen diese Schwankungen von sogenannten Must-Run-Kraftwerken abgedeckt werden (Bundeszentrale für Politische Bildung). Doch wenn ein dauerhafter Umstieg auf erneuerbare Energien gelingen will, müssen diese Must-Run-Kraftwerke von Speichermöglichkeiten ersetzt werden (Samulat, 2012).

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