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Windkraftanlagen

1. Energiepotential

2. Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse

3. Windräder mit horizontaler Rotorachse

Bedingt durch die Energiekrisen der 70er und 80er Jahre des 20. Jahrhunderts begann das Bundesministerium für Forschung und Technologie (BMFT) mit Forschungen im Bereich der Windkraft. Gemeinsam mit den drei großen Energieversorgern HEW (Hamburger ElektrizitätsWerke), RWE (Rheinisch-Westfälisches Elektrizitätswerk) und der Schleswag wagte man 1980 das Growian-Projekt, aus dem 1983 eine 3-MW-Windanlage hervorging, die im Kaiser-Wilhelm-Koog errichtet wurde. Das 87,2 Million D-Mark (ca. 44,58 Mio. Euro) teuere Projekt endete 1988, als die Anlage aufgrund von 99%igem Stillstand und technischen Problemen demontiert wurde.

In den USA versuchte man Ende der 70er Jahre durch ein neues Gesetz, dass Abschreibungsmöglichkeiten von bis zu 25% ermöglichte und die Einspeisung des Stroms in das öffentliche Netz regelte, die Windkraft zu fördern. Dies hatte zur Folge, dass in den darauf folgenden Jahren allein im Bundesstaat Californien ca. 15.000 Windkraftanlagen errichtet wurden.

Während dieses Gesetz in den USA einen wahren Boom auslöste und auch der zweitgrößte Windkraftmarkt Dänemark weiter wuchs, plagten sich deutsche Anlagenerrichter vor allem mit den Behörden um Baugenehmigungen zu bekommen, da Windkraftanlagen im Baugesetz noch nicht vorgesehen waren. Auch die Energieversorger zeigten sich nicht kooperativ bei der Frage, ob man den Strom in ihre Netze speisen könne.

Im Jahre 1991 regelte ein neues Gesetz diese Differenzen. Regenerativ erzeugter Strom wurde mit 90% des Durchschnittserlöses je Kilowattstunde vergütet. Die Baugenehmigung oblag jedoch weiterhin den lokalen Behörden.

Nachdem die ausschließliche Förderung von Großprojekten durch das BMFT nicht den gewünschten Erfolg zeigte, schlug man mit dem 250MW-Programm eine neue Richtung ein. Der Betreiber eine Windkraftanlage konnte entweder durch eine Investitionszulage über 60% der Investitionskosten oder über eine Zulage zur Einspeisevergütung von diesem Programm profitieren. Schleswig-Holsteins Strombedarf konnte durch dieses Programm 1994 bereits zu 4% durch Windenergie gedeckt werden.

Energiepotential

Eine Windkraftanlage entzieht dem Wind seine kinetische Energie. Insgesamt umfaßt die Bewegungsenergie der Luftmassen eine Leistung von ca. 3000TW, von der jedoch nur ein Bruchteil durch Windkraftanlagen genutzt werden kann. Der Hauptteil dieser Energie liegt in höheren Luftschichten oder über den Ozeanen.

Die wirtschaftliche Grenze der Windenergie liegt bei einer Windgeschwindigkeit von ca. 4m/s. Die Leistung einer Windkraftanlage ist abhängig von der Luftdichte, der Windgeschwindigkeit und der durchströmten Fläche und läßt sich folgendermaßen berechnen:

Leistung(Wind) = 0.5 * Luftdichte * Windgeschwindigkeit 3 * Fläche

Die Rotorfläche wird dabei senkrecht zur Windrichtung von der Nabe bis zur Rotorspitze gemessen, geometrisch gesehen also ein Kreisring.

Die Schwankungen der Windgeschwindigkeit und damit der erzielten Leistung sind für die Windenergie charakteristisch. Moderne Anlagen erreichen heute je nach Standort eine jährliche Stromproduktion von 1,8 bis 2,5 MWh.

Windkraftanlagen mit vertikaler Rotorachse

Nach dem Franzosen George Darrieus sind Windkraftanlagen mit dem Darrieus-Rotor benannt. Darrieus, der seine Idee 1931 in den USA patentieren ließ, entwarf einen Rotor, dessen zwei oder drei Rotorblätter ähnlich einem Schneebesen geformt sind. Der Drehimpuls entsteht hier im Wesentlichen durch aerodynamischen Auftrieb.
 

Darrieus-Rotor: 

Die Unabhängigkeit von der Windrichtung ist der große Vorteil des Darrieus-Rotors. Außerdem positiv: Die gesamte Mechanik und Elektrik kann am Boden untergebracht werden. Nachteilig ist jedoch, dass der Rotor nicht von selbst anlaufen kann und Starthilfe benötigt. Der Leistungsbeiwert eines Darrieus-Rotors liegt bei 37%, während die modernen zwei- oder dreiblättrigen Horizontal-Rotoren bis zu 45% der Windenergie umsetzten.

Eine spezielle Form des Darrieus-Rotors ist der H-Rotor. Seine Rotorblätter sind ähnlich einem "H" senkrecht angeordnet und über eine Trageskontruktion mit der vertikalen Rotorwelle verbunden.

Anlagen mit diesem Rotorentyp sind meist mit einem neu entwickelten Generator, dem sogenannten Wanderfeldgenerator, ausgestattet. Mit dem Rotor drehen sich ringartig angeordnete Dauermagnete um die am Mast angebrachten Wicklungen des Stators. Getriebe, Rotorblattverstellung und Windnachführung entfallen bei diesem Modell ebenfalls.

H-Rotor: 

Häufig findet man in Kombination mit dem Darrieus-Rotor den Savonius-Rotor, erfunden Ende des 19. Jahrhunderts vom finnischen Kapitänleutnant Sigurd Savonius. Der Wind erfährt an der Schaufelöffnung einen höheren Widerstand als in der Schaufelrückseite. Es ergibt sich ein Drehmoment, das beide Schaufelseiten abwechselnd in den Wind dreht. Da Savonius-Rotoren schon bei relativ geringen Windgeschwindigkeiten anlaufen, werden sie häufig als "Starthilfe" mit Darrieus-Rotoren kombiniert. Das Bild zeigt ein Beispiel dafür.

Des weiteren kommen Savonius-Rotoren zu Entlüftungszwecken, z.B. für Fahrzeuge oder Fabrikhallen zum Einsatz. Aufgrund ihres niedrigen Wirkungsgrades von 23% und dem hohen Materialbedarf sind sie für großen Leistungsbedarf ungeeignet.

Savonius-Rotor: 

Windräder mit horizontaler Rotorachse

Die meisten heute installierten Windkraftanlagen sind in gewisser Weise eine Weiterentwicklung der frühen Windmühlen. Diese Windräder zeichnen sich durch eine horizontal liegende Rotorwelle aus. Durch verbesserte Materialien und Bautechniken ist es heute möglich, strömungsgünstige Turmkonstruktionen zu errichten, die den Wirkungsgrad erheblich verbessern.

Der Turmkopf, auch Gondel genannt, ist mitsamt dem Rotor um volle 360° drehbar. Durch mechanische, hydraulische oder elektro-mechanische Drehgetriebe wird der Rotor entweder vollautomatisch durch eine Meß- und Regelanlage oder mit Hilfe von Seitenrädern und Windfahnen in die günstigste Position gedreht. Zusätzlich sind im Turmkopf die "wichtigsten Komponenten" des Windrades untergebracht, was der Nachteil gegenüber den Vertikalachsern ist, denn somit befinden sich die schweren Bauteile wie der Generator und das Getriebe im Kopf der Anlage.

Auf häufigsten werden Windräder mit drei Rotorblättern errichtet. Man erreicht damit eine gleichmäßige Massenverteilung bei der Drehbewegung und dadurch eine geringe mechanische Belastung. Das Laufbild erscheint dem menschlichen Auge sehr ruhig. Zweiflüglige Anlagen sind vor allem preislich im Vorteil gegenüber den dreiflügligen, da die Kosten für ein Rotorblatt verhältnismäßig hoch sind. Einblättrige Anlagen existieren auch schon als Prototyp, fallen aber durch ein sehr unruhiges Laufbild und laute Flügelgeräusche auf

Nordex Windrad:         Offener Turmkopf:

Der Rotor und seine Verstellmechanismen

Die Rotorblätter sind aerodynamisch geformt, damit sie nicht nur aufgrund des Widerstandes drehen, sondern auch durch aerodynamisch erzeugte Auftriebskräfte. Die Form der Rotorblätter ist ähnlich der von Flugzeugtragflächen. Auf der Oberseite wird die Geschwindigkeit der Luft erhöht, auf der Unterseite verringert. So entsteht auf der unteren Seite ein Überdruch, auf der oberen ein Unterdruck, was letztlich zum Entstehen von Auftriebskräften führt. Einem Flugzeug ermöglicht dieser Effekt das Fliegen, ein Rotorblatt wird dadurch gedreht. Im Vergleich mit reinen Widerstandsblättern aus Holz oder Kunststoff, die einfach nur gekrümmt oder schräg gestellt sind, erreichen diese aerodynamischen Rotorblättern einen wesentlich höheren Wirkungsgrad.

Um die Leistung des Generators konstant zu halten, ist es notwendig, dass die Drehzahl des Rotors ebenso konstant gehalten wird. Um dies zu gewährleisten, haben größere Windräder eine automatische Rotorblattverstellung eingebaut. Durch verstellen des Rotorblattwinkels kann die Drehzahl des Rotors auch bei schwankenden Windstärken konstant gehalten werden. Bei schwachem Wind werden die Rotorblätter mit voller Breite gegen die Strömung gedreht; bei starkem Wind können die Blätter soweit gedreht werden, bis sie parallel zur Windströmung stehen. Diese Regelung wird auch Pitch-Regelung genannt. Im Falle von Sturm kann der gesamte Rotor durch eine Bremse festgesetzt werden.

Kleinere Windräder sind meist mit der Stall-Regelung ausgestattet. Die Rotorblätter sind dafür so geformt, dass die Luftströmung ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit zunehmende abreißt und die Rotordrehzahl so begrenzt wird. Zusätzlich sind diese Windräder mit aerodynamisch wirkenden Bremsklappen ausgestattet.