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| Nachrichten | Lexikon | Protokolle | Bücher | Foren | Montag, 28. Mai 2012 |
WindenergieanlageDieser Artikel von Wikipedia ist u.U. veraltet. Die neue Version gibt es hier. Kraftwerke die Windenergie in Elektrizität umwandeln man Windenergieanlage ( WEA ). Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch Bezeichnung Windkraftanlage ( WKA ) durchgesetzt. Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich großen WEAs zur Stromgewinnung. Andere Anwendungen wie Wasserpumpen oder Spielzeug werden unter Windrad erläutert. Mit Hilfe des Rotors wird die Windenergie durch eine Windenergieanlage mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Früher wurde die Bewegungsenergie des Windes in Windmühlen direkt zum Antrieb eines Mahlwerkes oder Pumpen genutzt. In einer heutigen Windenergieanlage wird elektrischer Generator angetrieben der die Drehbewegung in elektrische umwandelt die zumeist in das allgemeine Stromnetz wird. In den letzten Jahren des 20. erlebte der Bau von Windenergieanlagen einen Boom und auch zu Beginn des nächsten setzte sich der deutliche Aufschwung fort. In Deutschland wurde diese Entwicklung neben der Verfügbarkeit von besseren Materialien u. im Bereich der Leistungselektronik - vor allem durch politische Rahmenbedingungen Energieeinspeisungsgesetz ) ausgelöst.
Windenergieanlage
Geschichte der WindenergieanlagenWindenergieanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik deren Geschichte auf der von Windmühlen beruht. Mit der großtechnischen Nutzung der Energie ab 1882 begann die Elektrizität auch für die ein wichtiges technisches Hilfsmittel zu werden. Die der Städte schritt rasch voran doch die der ländlichen Gebiete erforderte einige Voraussetzungen. Es erst ein Übertragungsnetz für elektrische Energie geschaffen werden und Kraftwerke mussten überhaupt in der Lage sein Verbundbetrieb zu laufen. In Deutschland waren in den 1920ern schon fast alle Dörfer an das angeschlossen jedoch war die Infrastruktur in vielen anderen Ländern noch nicht weit fortgeschritten. Zur Verbesserung der Versorgung mit Energie gab es in der zweiten Hälfte 19. Jahrhunderts verstärkt Versuche mit Hilfe der Windenergie elektrische Energie zu erzeugen. Da die Windmühlen zu Zeitpunkt noch sehr weit verbreitet waren gab mehrfach Gedanken diese zum Betrieb eines Dynamos umzurüsten. Charles F. Brush (*1849 †1929) baute 1887 / 88 eine Windenergieanlage auf der Basis der Westernmills bekannten Langsamläufer die er zur Versorgung Hauses mit elektrischer Energie aus einem Batteriespeicher benutzte. Der Däne Poul La Cour hat dann die Verdrängung der Windmühlentechnik die Elektrifizierung hatte schon eingesetzt die Grundlagen Technik wissenschaftlich erforscht. Er wandte seine Erkenntnisse einer der ersten Wissenschaftler auf die Wandlung elektrische Energie an und errichtete 1891 mit Mitteln seiner Regierung eine erste Seinem guten wissenschaftlichen Fundament seinem systematischen Vorgehen seiner Geschicklichkeit bei der praktischen Umsetzung seiner sind wichtige Entwicklungen für die heutige Windenergieanlagentechnik verdanken. Er betrieb erstmalig Windkanalversuche - unter zur Aerodynamik der Flügelform - und kam zum Schnellläufer (schnell drehende Anlage mit weniger Flügeln.) von ihm konzipierte Anlage wurde von der Lykkegard als kommerzielles Produkt vermarktet bis 1908 bereits 72 Stück in Dänemark zur Versorgung Siedlungen installiert. Der Bau von Windenergieanlagen bekam durch Treibstoffverteuerung und -verknappung im ersten Weltkrieg noch einmal Aufwind. Nach dem Krieg Treibstoff günstiger. Die Technik der Windenergieanlagen blieb lange Zeit eine Nische der technischen Entwicklung. 1920 schuf Albert Betz (*1885 - †1968) Physiker und damaliger Leiter der Aerodynamischen Versuchsanstalt Göttingen mit streng wissenschaftlichen Forschungen zur Physik Aerodynamik des Windrotors weitere Grundlagen für die Entwicklung von Er zeigte dass das physikalische Maximum der der kinetischen Energie des Windes bei 59 % liegt. Seine Theorie zur Formgebung der hat bis heute Bestand. Ein weiterer Meilenstein war die 1 MW Smith-Putnam-Anlage (2 Flügel Leeläufer benannt nach Cosslett Putnam (*1910 †1986)) in Vermont USA 1941 . Die Anlage lief mit Unterbrechungen bis 1945 dann brach einer der Flügel. Die diese Größe notwendigen Materialien bzw. Materialqualitäten waren noch nicht verfügbar. 1957 wurde in Dänemark von Johannes Juul Gedser eine 200 kW Windenergieanlage erbaut. Sie drei Flügel die aus Stabilitätsgründen untereinander abgespannt Die Anlage lief bis 1966 bis sie aus Kostengründen stillgelegt wurde. wurde jedoch nicht abgebaut und erlebte 1977 eine Renaissance als sie im Rahmen eines Abkommens dänischen Institution mit der NASA wieder in Betrieb genommen wurde und Jahre als Versuchsanlage diente. Anfang der 1980er Jahre setzte sich aufgrund der großen in den USA das dänische Konzept bei Windenergieanlagen durch. Typisch waren der (Kurzschlussläufer) ein oder zwei feste Drehzahlen und Rotorblätter (Stall-Regelung). Diese Konstruktionsweise hat sich für 500kW-Klasse weitestgehend durchgesetzt. Größere Anlagen im Megawatt-Bereich arbeiten heute alle pitchgeregelt. Bei ihnen gibt es eine des Generators vom Netz über einen Gleichstromzwischenkreis. diesem Konzept ist auch eine Regelung der zwischen Spannung und Strom im eingespeisten Drehstrom so dass diese Anlagen das Netz nicht belasten sondern sogar zur Entlastung beitragen können. Anlagen laufen drehzahlvariabel. Die Leistungsregelung erfolgt duch der Rotorblätter (Pitchen). Dieser Anlagentyp hat nicht eine höhere Leistungsausbeute sondern zeichnet sich auch geringere Schallemissionen aus da der lärmintensive Stalleffekt unterhalb der Nennleistung nicht mehr auftritt.
Grundlagen und EnergiewandlungDie im Wind enthaltene Strömungsenergie kann zu maximal 59 3 % entnommen werden. Wert der die dem Wind entnommene Leistung Verhältnis mit der im Wind enthaltenen Leistung wird Betz'scher Leistungsbeiwert (c p Betz ) genannt und wurde von Albert Betz Jahr 1926 ermittelt. Anschaulich und prinzipiell ist Sachverhalt auch zu erklären: wenn der Windströmung entnommen wird verlangsamt sich der Wind. Da der Massenstrom gleich bleiben muss weitet sich einer frei angeströmten Windenergieanlage der Wind auf bei der langsameren Geschwindigkeit hinter der Anlage gleiche Menge Luft abtransportiert werden muss. Aus Grund ist eine vollständige Umwandlung der Windenergie Rotationsenergie mit einer Windenergieanlage nicht mögich. Ein Fall würde bedeuten dass hinter der Windenergieanlage Luftmassen ruhen und sich vor ihr unendlich würden.Wie bei allen Maschinen wird natürlich hier das theoretische Maximum nicht erreicht. Gute haben einen Leistungsbeiwert von 0 4 bis 5. Der aerodynamische Wirkungsgrad einer Anlage kann über das Verhältnis Leistungsbeiwertes der Maschine zum Betz'schen Leistungbeiwert ausgedrückt Eine weitere wichtige Kennzahl für Windenergieanlagen die so Schnelllaufzahl λ. Sie gibt das Verhältnis der u des Rotors (Blattspitzengeschwindigkeit) zur Windgeschwindigkeit ν an und ist definiert als
Es gibt zwei verschiedene physikalische Prinzipien denen eine Windenergieanlage arbeiten kann:
Schema einer Windenergieanlage Sowohl der Leistungsbeiwert als auch die sind abhängig von der Windgeschwindigkeit und daher eine Windenergieanlage nicht konstant. Die Auftriebsläufer werden auf den Betriebszustand dem höchsten Leistungsbeiwert ausgelegt. An diesem Punkt Einblattrotoren eine Schnelllaufzahl von ca. 15 Zweiblattrotoren 10 und Dreiblattrotoren wie sie heute bei WEA's Standard sind haben etwa eine Schnelllaufzahl 7 bis 8. Durch den Betriebspunkt mit maximalen Leistungsbeiwert und der Auslegungsschnelllaufzeit ergibt sich die Auslegungswindgeschwindigkeit . Der Betrieb einer Windenergieanlage ist nur einer bestimmten Windgeschwindigkeit der so genannten Anlaufwindgeschwindigkeit sinnvoll. Ist die Windgeschwindigkeit zu gering man die Anlage trudeln das heißt die werden in Segelstellung gedreht und die Anlage sich im Leerlauf. Dazu wird der Generator der Wechselrichter vom Stromnetz getrennt. Ein Festsetzen Rotors belastet die Lager mehr als der Im Leerlauf wird die Anlage zum (wenn nur geringen) Stromverbraucher da die Regelelektronik und Stellantriebe für Rotorblattverstellung und Windnachführung mit Energie dem Netz versorgt werden. Die Anlagen besitzen eine Notstromversorgung um bei Netzausfall ein sicheres (Blätter in Segelstellung drehen) zu gewährleisten. Bei Nennwindgeschwindigkeit gibt die Windenergieanlage ihre Nennleistung ab. Diese ist immer größer als Auslegungswindgeschwindigkeit. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird die Leistung Anlage konstant gehalten da sonst die Belastungen alle Anlagenkomponenten weiter steigen und zu Überlastungen würden. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (Sturm) wird Anlage abgeschaltet und festgehalten um Schäden zu Da der Wind keine konstante Größe ist aus der Nennleistung nicht ohne weiteres auf zu erwartenden Jahresertrag geschlossen werden: hierzu müssen lokalen Gegebenheiten des Windes also Windstärke und bekannt sein. Es bleiben nicht kalkulierbare Unwägbarkeiten. häufiger Fehler bei Laien ist der Gedanke mit einer installierten Windenergieanlagenleistung von z. B. MW ein konventionelles Kraftwerk mit einer ebensolchen ersetzt werden kann. Zur Abschätzung des Jahresertrages für die Standorte der WEA's die so mittlere Windgeschwindigkeit angegeben. Sie ist ein Durchschnittswert der dem Jahr auftetenden Windgeschwindigkeiten.
Typen und Technik von Windenergieanlagen
Windenergieanlagen mit horizontaler RotoationsachseWindenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der nachgeführt werden wozu die Gondel mit einem auf den Turm angebracht wird. Die Windrichtung bei großen Anlagen über die Messtechnik ermittelt. Windrichtungsnachführung also das Drehen der Gondel erfolgt so genannte Giermotoren (auch Azimuthantrieb genannt) zwischen Gondel und Turm.Horizontalachsen-WEAs werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt. wird das Antriebsprinzip also die Art wie Wind auf die Rotorblätter wirkt betrachtet. Es Auftriebsläufer und Widerstandsläufer .
AuftriebsläuferModerne WEA zur Stromerzeugung sind aerodynamisch Anlagen. Bei ihnen sind die Rotorblätter als Profil ausgeprägt das ähnlich wie bei Flugzeugen einen Druckunterschied der aus einem Geschwindigkeitsunterschied an und -unterseite herrührt einen Auftrieb erzeugt. Dieser Auftrieb wird in eine umgesetzt.Auch die Flügelzahl ist ein Kriterium. sind bei modernen Windenergieanlagen drei Flügel in Aufbruchszeit etwa seit Mitte der 1970er Jahre weit in die 1980er Jahre hinein wurden größere Anlagen mit einem (Monopterus) oder zwei gebaut. Bei diesen Anlagen handelt es sich so genannte Schnellläufer. Nur mit Auftriebsläufern können hohe die der Betz'schen Theorie erreicht werden. Die Regelung der Rotordrehzahl erfolgt entweder den so genannten Stalleffekt (Strömungsabriss) oder über Veränderungen des Anstellwinkels des Rotorblattprofils (Pitchen). Weitere dazu weiter unten im Abschnitt Bestandteile einer WEA - Rotorblätter .
WiderstandsläuferParallel dazu gibt es schon wesentlich die so genannten Widerstandläufer (z.B. Westernmill - bekannt aus Westernfilmen) über die gesamten Rotorfläche viele Rotorblätter haben. Anlagen setzen dem Wind ihre Rotorfläche entgegen wandeln den Druck des Windes in eine um. Diese Anlagen sind aufgrund des höheren gut für das Verrichten von mechanischer Arbeit Eine übliche Anwendung ist das Heben von ( Pumpen ). Zu dieser Kategorie gehört auch die europäische Windmühle . Widerstanddläufer haben einen schlechten Wirkungsgrad (maximal sind jedoch oft einfach und robust aufgebaut.Bei einem Widerstandläufer ist die Schnelllaufzahl kleiner als eins.
Lee- und Luv-LäuferWeiterhin unterscheidet man ob sich der auf der dem Wind zugewandten Seite ( Luvläufer ) oder auf der dem Wind abgewandten ( Leeläufer ) befindet. Leeläufer haben zwar den Vorteil die Gefahr einer Rotorblattberührung mit dem Turm geringer ist sie haben sich bei großen jedoch nicht durchgesetzt da es zu Unstetigkeiten der Rotordrehzahl und zu Schwingungen kommt wenn Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert.
Windenergieanlagen mit vertikaler RotationsachseWindenergieanlagen mit vertikaler Rotationsachse unterscheidet man
Diese Typen sind mit Ausnahme von so genannten Schalenkreuzanemometern (Savonius-Rotor) eher selten zu sehen.
Bestandteile einer WindenergieanlageEine Windenergieanlage besteht aus dem Fundament dem Turm einer Maschinengondel mit dem Generator dem (außer Enercon ) dem Rotor mit Nabe und Rotorblättern der notwendigen Elektronik und Netzanschlusstechnik im Fuß Turmes oder außerhalb. Diesem kommt eine ganz Rolle zu da auf ihm die Gondel wird. Durch größere Anlagenhöhen kann aufgrund der Windgeschwindigkeiten und des konstanteren Windes mehr Ertrag werden. Der Turm muss bei allen Betriebsbedingungen Schwingungen der Gondel sicher und dauerhaft aushalten.
Generator
Rotorblättersiehe auch Rotorblatt
Turmvarianten
Fundamentvarianten
RegelungDie WEA wird von der Betriebsführung ertragsversprechender Windgeschwindigkeit (Anlaufwindgeschwindigkeit) hochgefahren und bei zu Windgeschwindigkeit (Abschaltwindgeschwindigkeit) wieder abgeschaltet um eine mechanische zu verhindern. Die Windgeschwindigkeit wird dabei über Anemometer ermittelt bzw. aus der Drehzahl des abgeleitet.DrehzahlregelungDrehzahlvariable pitchgeregelte AnlagenEs wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden Drehzahlregelung im Teillastbetrieb (Momentenregelung) und der Drehzahlregelung Vollastbetrieb (Pitchregelung).
Drehzahlstarre Stallanlagen(...)Drehzahlstarre Aktivstallanlagen(...)WindrichtungsnachführungDie Windrichtungsnachführung kann entweder durch den selbst mittels einer Windfahne erfolgen oder durch (Azimuthantrieb) wie es bei großen Anlagen üblich Die Windrichtung wird über Sensoren ermittelt. (siehe z.B. Windrichtungsgeber )Bei ständig wechselnder Windrichtung wird die automatisch nachgeführt. In einigen Fällen kann es daß das Maschinenhaus dabei mehrere Umdrehungen in Richtung vollführt. Um die Kabel die den und die Steuersignale leiten nicht zu sehr verdrehen ist die Anzahl der Maschinenhausumdrehungen in Richtung auf etwa drei bis vier begrenzt. Anlagensteuerung kontrolliert diese Position und sorgt bei für Entdrillung. Dies wird häufig bei Schwachwind bei Windstille vorgenommen. Man kann daher hin wieder eine Anlage "Karussell fahren" sehen.
Schattenwurfregelung/DiscoeffektAnlagen bei denen die Gefahr des Schattenwurf es besteht können mit einer sonnenstands- und Schattenwurfregelung ausgerüstet werden. Diese schaltet die Anlage wenn Gefahr besteht daß unerwünschter Schattenwurf (z.B. Wohngebiete) entsteht.
Schallreduzierter BetriebAnlagen die in der Nähe von stehen können zu bestimmten lärmsensiblen Zeiten (nachts) einen schallreduzierenden Betriebszustand gebracht werden. Da die einer WEA besonders von ihrer Blattspitzengeschwindigkeit abhängt dazu die Drehzahl der Anlage abgesenkt. Mit Absenkung der Drehzahl geht bei höheren Windgeschwindigkeiten ein Ertragsverlust einher.
NetzeineinspeisungNetzrückwirkungen (Blindstromkompensation kurzzeitige Schwankungen etc.)
Forschung und EntwicklungDie Forschung beschäftigt sich derzeit intensiv diesen Problemen und versucht die Technologie weiterzuentwickeln. sind dabei die Verringerung der negativen Auswirkungen Mensch und Natur sowie ein höherer Wirkungsgrad. Die Verbesserung der Energiebilanz von Windenergieanlagen ist ein weiterer Aspekt Forschung. So liefern moderne Windanlagen die Energie für die Herstellung Installation Wartung und schließlich aufgewendet werden muss schon nach drei bis Monaten. Anlagen aus den 80er Jahren benötigten dazu noch sechs bis Monate. Es wird auch die Kombination von mit anderen Energieformen und Energiespeichern untersucht. Ziel es dabei die Unstetigkeit der Windleistung zu Siehe auch: Aufwindkraftwerk
Politischer EinflussGanz entscheidend für den Aufschwung der in der BRD war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991 das die Stromnetz -Betreiber zur Abnahme des erzeugten Stroms verpflichtete. Förderung wurde von der seit 1998 bestehenden rot-grünen Bundesregierung im Jahr 2001 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben. Das Gesetz den Betreibern von Windenergieanlagen weit über Marktniveau Vergütungen zu die bis zu 7 Cent/kWh dem Börsenwert des Stroms liegen und natürlich in die Preisgestaltung der Energieversorgungsunternehmen einfließen und den Strom für die verteuern. In der Folge dieser politischen Entscheidung inzwischen etwa zwei Drittel der europäischen Windenergieanlagen in Deutschland. Die dazugehörige Industrie sich zu einer maßgeblichen in dieser Branche.
Windkraft in der Diskussion
Windpark-Landschaft in Mecklenburg Vor allem in Deutschland bedingt durch und Umfang der Förderung ist die Energieerzeugung aus Windkraft ein stark umstrittenes und auch ideologisch diskutiertes Thema. Umweltschützer betonen dass diese Energieform besonders schonend da Wind im Gegensatz zu Kohle oder Erdöl eine erneuerbare Ressource ist und somit dauerhaft zur Verfügung Während des Anlagenbetriebes entstehen im Gegensatz zu Energieträgern keine direkten Kohlendioxid -Emissionen. Ein weiteres Argument der Befürworter ist weltweite Verfügbarkeit von Wind. Von einer Förderung Windenergie versprechen sie sich mehr Gerechtigkeit da diese Weise auch Staaten ohne Rohstoffvorkommnisse eine Energieversorgung aufbauen könnten. Zudem berge die Windenergie Risiken als die Kernkraft. Als Hauptnachteil der Windenergie ist - Vergleich zu Energie aus herkömmlichen Atom- Kohlekraftwerken - ihre unregelmäßige mit dem Wind Leistungsabgabe anzuführen. Durch die Unstetigkeit der eingespeisten muss Regelenergie aus anderen Kraftwerken oder Speichern hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke und Gaskraftwerke) zur Verfügung gestellt werden. bzw. Windparks werden z.Z. nicht in der geregelt noch können sie bei Bedarf höhere einspeisen. Windenergie ist also nicht grundlastfähig kann nur Teil eines Energiemixes im Verbundnetzes sein. Bei geringer Windeinspeiseleistung müssen andere die Energieversorgung übernehmen. Der oft befürchtete "Stromüberlauf" einer Spannungsüberhöhung im Verbundnetz durch deutlich höhere als abgenommene Leistung wird von neueren Anlagen Herabregeln der der Einspeiseleistung verhindert. Diese Anlagen in der Lage Spannung und Frequenz im zu stützen. Ältere Anlagen (speziell einige Stall-Anlagen) dazu nicht in der Lage und sorgen für Probleme in der Netzstabilität die durch Kraftwerke kompensiert werden muß. Argumente gegen Windenergieanlagen reichen von Belästigung Schattenwurf starke Geräuschentwicklung auch im niederfrequenten Bereich hin zum Vorwurf Windenergieanlagen verschandelten die Landschaft. die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes hinaus werden hier die Interessen des Naturschutzes berührt. Es gibt Untersuchungen die zeigen durch Windenergieanlagen Vögel zu Tode kommen. Die der getöteten Vögel ist jedoch gering im mit anderen Gefahrenquellen der menschlichen Zivilisation für (z.B. Fensterscheiben Tankerunfälle). Auch gibt es Untersuchungen dass Windenergieanlagen die in Flugrouten von Zugvögel wurden die Anzahl der gezählten Vögel die Routen benutzen erheblich verringern. Um den Wind ungehindert zu nutzen auch seegestützte Windparks (Offshore-Windparks) im offenen Meer errichtet. Doch auch dieser Standort gilt als unproblematisch da solche Anlagen einerseits die Meeresströmungen durch Geräuschentwicklung die Meeresökologie beeinflussen und die Schifffahrt (und damit auch die Küsten siehe Tankerunglücke) - gefährden können. Zudem haben Anlagen den Nachteil dass sie weit von Hauptverbrauchern (den Ballungszentren) entfernt sind und die deshalb ihre Infrastruktur dahingehend erweitern müssen dass Überlandleitungen gebaut werden. Der seegestützte Windpark „Butendiek“ der Nähe von Sylt ist zudem in einem Naturschutzgebiet geplant und wird deshalb kontrovers diskutiert. waren 2003 30 deutsche seegestützte Windparks geplant 24 der Nordsee 6 in der Ostsee .
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