Windkraftanlagen

Funktionsweise:br / Ein Windrad funktioniert nur deshalb, weil es dem Wind Leistung beziehungsweise Energie entzieht. Dies geschieht dadurch, da die Luftströmung am Windrad stark abgebremst wird, und beschleunigte Teilchen, in dem Fall abgebremste Teilchen (negativ beschleunigte), geben Energie ab. Ein Windrad mit 100% Wirkungsgrad ist nicht möglich, da sonst die Luft komplett abgebremst würde und unmittelbar beim Windrad stehen würde. Bekanntlich laufen Strömungen immer den Weg des geringsten Widerstandes, aber stehende Luft ist ein zu großer Widerstand, und deshalb würde die nachkommende Luftströmung einen anderen Luftkanal nehmen und das Windrad könnte nicht die gewünschte Leistung erzielen. Der theoretisch maximale Wirkungsgrad nach Albert Betz ist 59,3%. Dies ist allerdings auch nur ein rechnerisches Ergebnis und kann in der Praxis niemals erreicht werden, da die Flügelform noch nicht perfekt ist, wir mit Getriebeverlusten rechnen müssen, das Nabenlager Reibung erzeugt und weil im Generator Umwandlungsverluste zu verzeichnen sind.

Standorte:

Den richtigen Standort für Windräder zu finden ist äußerst schwierig. Da sollten keine Bäume, Häuser oder andere Hindernisse in unmittelbarer Nähe sein, welche Wirbelzonen erzeugen und damit die Windkraftanlage stören. Als nächstes muss man darauf achten, dass man eine bestimmte Mindest- Jahresdurchschnitts- Windgeschwindigkeit einhält. Allerdings sollte diese Geschwindigkeit wirklich über das gesamte Jahr eingehalten werden, und nicht nur im Winter soviel Wind wehen, dass der Durchschnitt erreicht wird, denn sonst würde das Windrad im Sommer keinen Strom erzeugen können oder andere Geräte antreiben können. Als nächstes ist darauf zu achten, dass man nicht in unmittelbarer Nähe eines Hauses ein solches Windrad baut. Erstens wegen der oben genannten Wirbelzonen und zweitens können Windräder Lärm verursachen, der ungefähr 50 Dezibel erreicht.
Gute Standorte sind in Amerika gefunden worden, und deshalb errichtete man dort gleich riesige Windparks die doch einigen Strom erzeugen.
Wenn man ein kleines Windrad bei sich zu Hause errichten will, sollte man es nicht am Dach montieren, da das Windrad Schwingungen erzeugt, die unter anderem den Dachgiebel zerstören können, aber bei einer bestimmten Frequenz, nämlich der Eigenfrequenz des Hauses, den Einbruch von diesem bewirken kann.

Typen:

Grundsätzlich unterscheidet man Darrieus - Rotoren und horizontal laufende Windräder.

Horizontal laufende Windräder:
Bei diesen Typen ist zu erwähnen, dass eine bestimmte Windstärke erforderlich ist, damit das Windrad arbeitet (der Generator benötigt eine Mindestdrehzahl, und andere mechanische Antriebe benötigen auch eine bestimmte Drehzahl), dass aber auch nicht zu starker Wind herrschen darf, da sonst ein dafür konstruierter Schalter das Windrad ausschaltet und somit eine Überlastung des Generators beziehungsweise die Zerstörung der Teile verhindert. Aus welcher Richtung der Wind kommt ist egal. Diese Windräder sind meist an einem Mast in gewisser Höhe montiert, damit sie den erforderlichen Wind erhalten.

Im Wesentlichen unterscheidet man hier zwei Typen: Langsamläufer und Schnellläufer.


Langsamläufer:
Diese haben meistens viele, im Querschnitt etwas schwächere Flügel. Diese Flügel addieren sich zu einer großen Flügelfläche, und eine solche hat ein sehr großes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass ein relativ leichter Wind wehen muss, um es in Gang zu bringen. Dieser Typ ist eher für niedrigere Drehzahlen gebaut. Deshalb verwendet man diese Typen eher für langsame Antriebe wie zum Beispiel Pumpen und so etwas. Für die Stromerzeugung ist dieser Typ nicht geeignet, da ein Generator mindestens 800 - 3000 Umdrehungen pro Minute benötigt, um Strom zu erzeugen. Es wurde versucht, mit einer dementsprechenden Übersetzung diese hohen Drehzahlen zu erreichen, doch von dem kam man wieder ab, da der Wirkungsgrad eines Getriebes zu schlecht dazu ist.
Diese Anlagen können etwa 20 - 30% der im Wind enthaltenen Energie nutzen.


Schnellläufer:
Diese Typen haben meist zwei bis vier schlanke, aerodynamische geformte Flügel. Dadurch ergibt sich eine kleine Flügel- beziehungsweise Blattfläche und somit ein geringes Anlaufmoment. Das bedeutet wiederum, dass ein etwas stärkerer Wind zum Anlauf erforderlich ist als beim Langsamläufer. Diese Typen erzeugen relativ hohe Drehzahlen und sind deshalb sehr gut zur Stromerzeugung geeignet, da der Generator mit diesen Drehzahlen nun auch arbeiten kann. Je weniger Flügel man verwendet und je schmaler das Profil der Flügel ist, desto größer wird die Drehzahl und somit die Leistung des Generators. Man machte bereits Versuche, einblättrige Windräder mit Gegengewichten zu verwenden, doch diese waren nicht rentabler als zweiblättrige. Die Herstellung von zweiblättrigen Windanlagen ist auch leichter, da das einblättrige Rad mit dem Gegengewicht extrem gut gewuchtet sein muss, damit die Nabenlager nicht zusätzlich beansprucht werden.
In der Praxis werden häufig Windräder mit zwei Flügel verwendet, da sie um einiges leichter zu bauen sind als diese mit drei beziehungsweise vier Flügeln.
Solche Typen können cirka 30 - 50% der Windenergie verwerten und umwandeln.

Darrieus - Rotoren:
Diese Windräder sehen im Wesentlichen wie Zwiebelschalen aus. Aus welcher Richtung der Wind kommt ist auch hier egal. Diese Rotoren haben den Vorteil, dass sie nicht in einer gewissen Höhe montiert werden müssen, sondern dass sie auch in Bodennähe funktionieren. In Westeuropa gilt dieser Rotor als veraltet, und wird kaum mehr benutzt. Aber in den Entwicklungsländern spielt diese Anlage noch eine nicht unwesentliche Rolle bei der Energieerzeugung.





Anwendungsgebiete von Windrädern:

. Für Netzbetreiber wie EVN
. Für den Privathaushalt



Vorteile von Windrädern:
. Wind ist eine Energiequelle, die nie ausgeht.
. Mit Hilfe von Wind kann man Energie erzeugen, ohne dabei auf fossile Brennstoffe oder Atomenergie zurückgreifen zu müssen, was natürlich sehr umweltfreundlich ist.
. Sie erzeugen keine Abgase oder andere Stoffe, die die Umwelt zerstören.



Nachteile von Windrädern:
. Geräusche: Viele Menschen, die in der Nachbarschaft von Windkraftanlagen wohnen, fühlen sich durch die Geräusche, die die Rotorenblätter beim Drehen verursachen, gestört.
. Verunstaltung der Landschaft: Durch die Größe der Windenergieanlagen wird eine relativ große Fläche benötigt. Die Fläche rund um die Türme kann landwirtschaftlich genutzt werden, man muß sich jedoch erst an den Anblick der großen Türme gewöhnen.
. Beeinträchtigungen im Windschatten der Anlagen: Es kommt vor, daß zum Beispiel das Fernsehbild bei Empfängern, die im Windschatten der Windenergieanlagen stehen, flackern. Außerdem weiß man auch noch nicht, inwiefern Veränderungen durch den ständigen Austausch der Luftschichten eintreten können.
. Das Preis- Leistungsverhältnis ist noch nicht optimal.