Windenergieanlage
Kraftwerke, die Windenergie in Elektrizität umwandeln, nennt man Windenergieanlage (WEA). Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch die Bezeichnung Windkraftanlage (WKA) durchgesetzt. Dieser Artikel befasst sich hauptsächlich mit großen WEAs zur Stromgewinnung. Andere Anwendungen wie z.B. Wasserpumpen oder Spielzeug werden unter Windrad erläutert.Mit Hilfe des Rotors wird die Windenergie durch eine Windenergieanlage in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Früher wurde die Bewegungsenergie des Windes in Windmühlen direkt zum Antrieb eines Mahlwerkes oder von Pumpen genutzt. In einer heutigen Windenergieanlage wird ein elektrischer Generator angetrieben, der die Drehbewegung in elektrische Energie umwandelt, die zumeist in das allgemeine Stromnetz eingspeist wird.
In den letzten Jahren des 20. Jahrhunderts erlebte der Bau von Windenergieanlagen einen Boom, und auch zu Beginn des nächsten Jahrhunderts setzte sich der deutliche Aufschwung fort. In Deutschland wurde diese Entwicklung - neben der Verfügbarkeit von besseren Materialien u. a. im Bereich der Leistungselektronik - vor allem durch politische Rahmenbedingungen (siehe Energieeinspeisungsgesetz) ausgelöst.
Windenergieanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus, deren Geschichte auf der von Windmühlen beruht. Mit der großtechnischen Nutzung der elektrischen Energie ab 1882 begann die Elektrizität auch für die Bevölkerung ein wichtiges technisches Hilfsmittel zu werden. Die Elektrifizierung der Städte schritt rasch voran, doch die Versorgung der ländlichen Gebiete erforderte einige Voraussetzungen. Es musste erst ein Übertragungsnetz für elektrische Energie geschaffen werden, und die Kraftwerke mussten überhaupt in der Lage sein, im Verbundbetrieb zu laufen. In Deutschland waren in den 1920ern schon fast alle Dörfer an das Verbundnetz angeschlossen, jedoch war die Infrastruktur in vielen anderen Ländern noch nicht so weit fortgeschritten. Zur Verbesserung der Versorgung mit elektrischer Energie gab es in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts verstärkt Versuche, mit Hilfe der Windenergie elektrische Energie zu erzeugen. Da die Windmühlen zu diesem Zeitpunkt noch sehr weit verbreitet waren, gab es mehrfach Gedanken, diese zum Betrieb eines Dynamos umzurüsten.
Charles F. Brush (*1849 †1929) baute 1887/88 eine Windenergieanlage auf der Basis der als Westernmills bekannten Langsamläufer, die er zur Versorgung seines Hauses mit elektrischer Energie aus einem Batteriespeicher benutzte.
Der Däne Poul La Cour hat dann, die Verdrängung der Windmühlentechnik durch die Elektrifizierung hatte schon eingesetzt, die Grundlagen der Technik wissenschaftlich erforscht. Er wandte seine Erkenntnisse als einer der ersten Wissenschaftler auf die Wandlung in elektrische Energie an und errichtete 1891 mit Mitteln seiner Regierung eine erste Versuchsanlage. Seinem guten wissenschaftlichen Fundament, seinem systematischen Vorgehen sowie seiner Geschicklichkeit bei der praktischen Umsetzung seiner Entwürfe sind wichtige Entwicklungen für die heutige Windenergieanlagentechnik zu verdanken. Er betrieb erstmalig Windkanalversuche - unter anderem zur Aerodynamik der Flügelform - und kam zum Konzept Schnellläufer (schnell drehende Anlage mit weniger Flügeln.) Eine von ihm konzipierte Anlage wurde von der Firma Lykkegard als kommerzielles Produkt vermarktet, bis 1908 waren bereits 72 Stück in Dänemark zur Versorgung ländlicher Siedlungen installiert.
Der Bau von Windenergieanlagen bekam durch die Treibstoffverteuerung und -verknappung im ersten Weltkrieg noch einmal Aufwind. Nach dem Krieg wurde Treibstoff günstiger. Die Technik der Windenergieanlagen blieb für 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 und Aerodynamik des Windrotors weitere Grundlagen für die Entwicklung von Windenergieanlagen. Er formulierte erstmals das betzsche Gesetz und zeigte, dass das physikalische Maximum der Ausnutzung der kinetischen Energie des Windes bei 59,3 % liegt. Seine Theorie zur Formgebung der Flügel ist auch heute noch Grundlage für die Auslegung der Anlagen.
Ein weiterer Meilenstein war die 1,25 MW Smith-Putnam-Anlage (2 Flügel, Leeläufer, benannt nach Palmer Cosslett Putnam (*1910 †1986)) in Vermont, USA, 1941. Die Anlage lief mit Unterbrechungen bis 1945, dann brach einer der Flügel. Die für diese Größe notwendigen Materialien bzw. Materialqualitäten waren einfach noch nicht verfügbar.
1957 wurde in Dänemark von Johannes Juul in Gedser eine 200 kW Windenergieanlage erbaut. Sie hatte drei Flügel, die aus Stabilitätsgründen untereinander abgespannt waren. Die Anlage lief bis 1966, bis sie aus Kostengründen stillgelegt wurde. Sie wurde jedoch nicht abgebaut und erlebte 1977 eine Renaissance, als sie im Rahmen eines Abkommens einer dänischen Institution mit der NASA wieder in Betrieb genommen wurde und mehrere Jahre als Versuchsanlage diente.
Anfang der 1980er Jahre setzte sich aufgrund der großen Nachfrage in den USA das dänische Konzept bei Windenergieanlagen durch. Typisch waren der Asynchronmotor (Kurzschlussläufer), ein oder zwei feste Drehzahlen und drei starre Rotorblätter (Stall-Regelung). Diese Konstruktionsweise hat sich für die 500kW-Klasse weitestgehend durchgesetzt.
Von 1983-1987 stand bei Marne die Versuchsanlage GROWIAN (Große Windenergie-Anlage). Sie war lange Zeit die größte Anlage der Welt. Ausgerüstet mit einem über 100 Meter durchmessenden Zweiblattrotor, der als Leeläufer auf der windabgewandten Seite des Turmes lief, wurden Erfahrungen mit einer Anlagengröße gesammelt, die kommerziell erst Ende der 90er Jahren erreicht werden sollte.
Größere Anlagen im Megawatt-Bereich arbeiten heute fast alle pitchgeregelt.
Bei ihnen gibt es eine Entkopplung des Generators vom Stromnetz über einen Gleichstromzwischenkreis. Mit diesem Konzept ist auch eine Regelung der Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom im eingespeisten Drehstrom möglich, so dass diese Anlagen das Netz nicht mehr belasten, sondern sogar zur Entlastung beitragen können. Die Anlagen laufen drehzahlvariabel. Die Leistungsregelung erfolgt duch Drehen der Rotorblätter (Pitchen). Dieser Anlagentyp hat nicht nur eine höhere Leistungsausbeute, sondern zeichnet sich auch durch geringere Schallemissionen aus, da der lärmintensive Stalleffekt (Strömungsabriss) unterhalb der Nennleistung nicht mehr auftritt.
Wie bei allen Maschinen wird natürlich auch hier das theoretische Maximum nicht erreicht. Gute Windenergieanlagen haben einen Leistungsbeiwert von 0,4 bis 0,5. Der aerodynamische Wirkungsgrad einer Anlage kann über das Verhältnis des Leistungsbeiwertes der Maschine zum Betz'schen Leistungbeiwert ausgedrückt werden.
Eine weitere wichtige Kennzahl für Windenergieanlagen ist die sog. Schnelllaufzahl λ. Sie gibt das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit u des Rotors (Blattspitzengeschwindigkeit) zur Windgeschwindigkeit ν an und ist definiert als
Sowohl der Leistungsbeiwert als auch die Schnelllaufzahl sind abhängig von der Windgeschwindigkeit und daher für eine Windenergieanlage nicht konstant.
Die Auftriebsläufer werden auf den Betriebszustand mit dem höchsten Leistungsbeiwert ausgelegt. An diesem Punkt haben Einblattrotoren eine Schnelllaufzahl von ca. 15, Zweiblattrotoren ca. 10 und Dreiblattrotoren, wie sie heute bei großen WEA's Standard sind, haben etwa eine Schnelllaufzahl von 7 bis 8. Durch den Betriebspunkt mit dem maximalen Leistungsbeiwert und der Auslegungsschnelllaufzeit ergibt sich auch die Auslegungswindgeschwindigkeit.
Der Betrieb einer Windenergieanlage ist nur ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit, der so genannten Anlaufwindgeschwindigkeit, sinnvoll. Ist die Windgeschwindigkeit zu gering, lässt man die Anlage trudeln, das heißt, die Blätter werden in Segelstellung gedreht und die Anlage befindet sich im Leerlauf. Dazu wird der Generator bzw. der Wechselrichter vom Stromnetz getrennt. Ein Festsetzen des Rotors belastet die Lager mehr als der Trudelbetrieb. Im Leerlauf wird die Anlage zum (wenn auch nur geringen) Stromverbraucher, da die Regelelektronik und die Stellantriebe für Rotorblattverstellung und Windnachführung mit Energie aus dem Netz versorgt werden. Die Anlagen besitzen auch eine Notstromversorgung, um bei Netzausfall ein sicheres Abschalten (Blätter in Segelstellung drehen) zu gewährleisten.
Bei Nennwindgeschwindigkeit gibt die Windenergieanlage ihre Nennleistung ab. Diese ist immer größer als die Auslegungswindgeschwindigkeit. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird die Leistung der Anlage konstant gehalten, da sonst die Belastungen auf alle Anlagenkomponenten weiter steigen und zu Überlastungen führen würden. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (Sturm) wird die Anlage abgeschaltet und festgehalten um Schäden zu vermeiden. Da der Wind keine konstante Größe ist, kann aus der Nennleistung nicht ohne weiteres auf den zu erwartenden Jahresertrag geschlossen werden: hierzu müssen die lokalen Gegebenheiten des Windes, also Windstärke und Häufigkeitsverteilung, bekannt sein. Es bleiben nicht kalkulierbare Unwägbarkeiten. Ein häufiger Fehler bei Laien ist der Gedanke, dass mit einer installierten Windenergieanlagenleistung von z. B. 1 MW ein konventionelles Kraftwerk mit einer ebensolchen Nennleistung ersetzt werden kann.
Zur Abschätzung des Jahresertrages wird für die Standorte der WEA's die so genannte mittlere Windgeschwindigkeit angegeben. Sie ist ein Durchschnittswert der über dem Jahr auftetenden Windgeschwindigkeiten.
Horizontalachsen-WEAs werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt. Dabei wird das Antriebsprinzip, also die Art wie der Wind auf die Rotorblätter wirkt betrachtet. Es gibt Auftriebsläufer und Widerstandsläufer.
Auch die Flügelzahl ist ein Kriterium. Standard bei modernen Windenergieanlagen sind drei Flügel. In der Aufbruchszeit etwa seit Mitte der 1970er Jahre bis weit in die 1980er Jahre hinein wurden auch größere Anlagen mit einem (Monopterus) oder zwei Flügeln gebaut. Bei diesen Anlagen handelt es sich um so genannte Schnellläufer. Anlagen mit mehr als drei Rotorblättern wurden nur in sehr kleinen Bauformen entwickelt.
Nur mit Auftriebsläufern können die hohen Wirkungsgrade der Betz'schen Theorie erreicht werden.
Die Regelung der Rotordrehzahl erfolgt entweder über den so genannten Stalleffekt (Strömungsabriss), oder über eine Veränderungen des Anstellwinkels des Rotorblattprofils (Pitchen). Weitere Informationen dazu weiter unten im Abschnitt Bestandteile einer WEA - Rotorblätter.
Die Rotorblätter moderner WEA'S bestehen aus glasfaserverstärktem Kunstoff. Sie werden in Halbschalen-Sandwichbauweise hergestellt und besitzen im inneren Versteifungsholme oder -stege. Auch Kohlenstofffasern haben bereits bei einigen Herstellern Eingang in die Fertigung gefunden.
Die Rotorblätter einiger Firmen können mit einer Rotorblattheizung ausgerüstet werden. Diese soll Eisansatz an Blättern verhindern, bzw. abtauen. Die Heizung hat eine Leistung im ein-zweistelligen KW-Bereich/Rotorblatt. Die von ihr benötigte Leistung ist gering gegenüber der eingespeisten Leistung, wenn die Anlage läuft (mehrere hundert kW). Die Heizung wird nur aktiviert, wenn sie benötigt wird.
Es wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden, der Drehzahlregelung im Teillastbetrieb (Momentenregelung) und der Drehzahlregelung im Vollastbetrieb (Pitchregelung).
Die Anlagen waren teilweise durch die Rotorblattauslegung nicht in der Lage bei wenig Wind selbstständig anzulaufen. Daher wurde bei ausreichender Windgeschwindigkeit der Generator kurz als Motor verwendet um den Rotor in Drehung zu versetzen.
Die Rotorblätter sind so geformt, dass im Nennlastbereich ein Strömungsabriß auftritt und so die Leistung auch bei starkem Wind auf die Nennleistung begrenzt. Dieser so genannte Stall-Effekt bringt jedoch starke Geräuschentwicklungen mit sich.
Bei ständig wechselnder Windrichtung wird die Anlage automatisch nachgeführt. In einigen Fällen kann es vorkommen, dass das Maschinenhaus dabei mehrere Umdrehungen in eine Richtung vollführt. Um die Kabel, die den Strom und die Steuersignale leiten nicht zu sehr zu verdrehen ist die Anzahl der Maschinenhausumdrehungen in eine Richtung auf etwa drei bis vier begrenzt. Die Anlagensteuerung kontrolliert diese Position und sorgt bei Bedarf für Entdrillung. Dies wird häufig bei Schwachwind, bzw. bei Windstille vorgenommen. Man kann daher hin und wieder eine Anlage "Karussell fahren" sehen.
Die Forschung beschäftigt sich derzeit intensiv mit diesen Problemen und versucht, die Technologie weiterzuentwickeln. Hauptziele sind dabei die Verringerung der negativen Auswirkungen auf Mensch und Natur sowie ein höherer Wirkungsgrad.
Die Verbesserung der Energiebilanz von Windenergieanlagen ist ein weiterer Aspekt der Forschung. So liefern moderne Windanlagen die Energie, die für die Herstellung, Installation, Wartung und schließlich Demontage aufgewendet werden muss, schon nach drei bis sechs Monaten. Anlagen aus den 80er Jahren benötigten dazu noch sechs bis zwölf Monate.
Es wird auch die Kombination von WEAs mit anderen Energieformen und Energiespeichern untersucht. Ziel ist es dabei die Unstetigkeit der Windleistung zu kompensieren.
Siehe auch: Aufwindkraftwerk
Ganz entscheidend für den Aufschwung der Windenergie in der Bundesrepublik Deutschland war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das die Stromnetz-Betreiber und damit auch die Endverbraucher zur Abnahme des gewonnenen Stroms verpflichtete. Diese Förderung wurde von der seit 1998 bestehenden rot-grünen Bundesregierung im Jahr 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben. Das Gesetz sichert den Betreibern von Windenergieanlagen degressiv gestaltete, feste Vergütungen des eingespeisten Stroms zu, die derzeit über dem durchschnittlichen Börsenwert des Stroms (bis zu 7 Cent/kWh) liegen. Die den Stromverbrauchern dadurch entstehenden Mehrkosten belaufen sich im Schnitt auf 1 Euro pro Haushalt und Monat. Die Festpreisvergütung im Rahmen des EEG hat zu einem starken Ausbau der Windenergienutzung in der BRD geführt. Ende 2003 war rund die Hälfte der gesamten europäischen Windenergieleistung (28.700 MW) in der BRD installiert. Anfang April 2004 verabschiedete der Deutsche Bundestag eine Novellierung des EEG. Diese sieht für 2004 eine um 0,5 Cent/kWh reduzuierte Vergütung des Windstroms sowie eine stärkere Degression der Einspeisevergütung in den kommenden Jahren vor.
Vor allem in Deutschland, bedingt durch Art und Umfang der Förderung, ist die Energieerzeugung aus Windkraft ein stark umstrittenes und oft auch ideologisch diskutiertes Thema.
Umweltschützer betonen, dass diese Energieform besonders schonend sei, da Wind, im Gegensatz zu Kohle oder Erdöl, eine erneuerbare Ressource ist und somit dauerhaft zur Verfügung steht. Während des Anlagenbetriebes entstehen im Gegensatz zu fossilien Energieträgern keine direkten Kohlendioxid-Emissionen. Ein weiteres Argument der Befürworter ist die weltweite Verfügbarkeit von Wind. Von einer Förderung der Windenergie versprechen sie sich mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise auch Staaten ohne Rohstoffvorkommnisse eine unabhängige Energieversorgung aufbauen könnten. Zudem berge die Windenergie weniger Risiken als die Kernkraft.
Als Hauptnachteil der Windenergie ist - im Vergleich zu Energie aus herkömmlichen Atom-, Kohlekraftwerken - ihre unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe anzuführen. Durch die Unstetigkeit der eingespeisten Windleistung, muss Regelenergie aus anderen Kraftwerken oder Speichern (z.Z. hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke und Gaskraftwerke) zur Verfügung gestellt werden. Windenergieanlagen bzw. Windparks werden z.Z. nicht in der Leistungsabgabe geregelt, noch können sie bei Bedarf höhere Leistungen einspeisen. Windenergie ist also nicht grundlastfähig, kann also nur Teil eines Energiemixes im Verbundnetzes sein. Bei geringer Windeinspeiseleistung müssen andere Energieträger die Energieversorgung übernehmen.
Der oft befürchtete "Stromüberlauf", also einer Spannungsüberhöhung im Verbundnetz durch deutlich höhere eingespeiste als abgenommene Leistung wird von neueren Anlagen durch Herabregeln der Einspeiseleistung verhindert. Diese Anlagen sind in der Lage, Spannung und Frequenz im Verbundnetz zu stützen. Ältere Anlagen (speziell einige Stall-Anlagen) sind dazu nicht in der Lage und sorgen so für Probleme in der Netzstabilität, die durch andere Kraftwerke kompensiert werden muß.
Argumente gegen Windenergieanlagen reichen von Belästigung durch Schattenwurf, starke Geräuschentwicklung auch im niederfrequenten Bereich, bis hin zum Vorwurf, Windenergieanlagen verschandelten die Landschaft. Über die Beeinträchtigung des Landschaftsbildes hinaus werden hier auch die Interessen des Naturschutzes berührt. Es gibt Untersuchungen, die zeigen, dass durch Windenergieanlagen Vögel zu Tode kommen. Die Anzahl der getöteten Vögel ist jedoch gering im Vergleich mit anderen Gefahrenquellen der menschlichen Zivilisation für Vögel (z.B. Fensterscheiben, Tankerunfälle).
Auch gibt es tierpsychologische Untersuchungen darüber, dass Windenergieanlagen, die in Flugrouten von Zugvögeln gebaut wurden, die Anzahl der gezählten Vögel, die diese Routen benutzen, erheblich verringern, da die Vögel die großen drehenden Flügel für die Schwingen größerer Vögel halten bzw. größere Tiere an sich, denen sie nicht den Weg bzw. die Flugbahn kreuzen dürften. (Vogelscheuchen-Effekt)
Um den Wind ungehindert zu nutzen, werden auch seegestützte Windparks (Offshore-Windparks) im offenen Meer errichtet. Doch auch dieser Standort gilt nicht als unproblematisch, da solche Anlagen einerseits die Meeresströmungen, durch Geräuschentwicklung die Meeresökologie beeinflussen und andererseits die Schifffahrt (und damit auch die Küsten - siehe Tankerunglücke) - gefährden können. Zudem haben diese Anlagen den Nachteil, dass sie weit von den Hauptverbrauchern (den Ballungszentren) entfernt sind und die Netzbetreiber deshalb ihre Infrastruktur dahingehend erweitern müssen, dass neue Überlandleitungen gebaut werden.
Der seegestützte Windpark „Butendiek“ in der Nähe von Sylt ist zudem in einem Naturschutzgebiet geplant und wird deshalb kontrovers diskutiert. Insgesamt waren 2003 30 deutsche seegestützte Windparks geplant, 24 in der Nordsee, 6 in der Ostsee.Geschichte der Windenergieanlagen
Grundlagen und Energiewandlung
Die im Wind enthaltene Strömungsenergie kann theoretisch zu maximal 59,3 % entnommen werden. Der Wert, der die dem Wind entnommene Leistung ins Verhältnis mit der im Wind enthaltenen Leistung setzt, wird Betz'scher Leistungsbeiwert (cp,Betz) genannt und wurde von Albert Betz im Jahr 1926 ermittelt. Anschaulich und prinzipiell ist dieser Sachverhalt auch zu erklären: wenn der Windströmung Energie entnommen wird, verlangsamt sich der Wind. Da jedoch der Massenstrom gleich bleiben muss, weitet sich bei einer frei angeströmten Windenergieanlage der Wind auf, da bei der langsameren Geschwindigkeit hinter der Anlage die gleiche Menge Luft abtransportiert werden muss. Aus diesem Grund ist eine vollständige Umwandlung der Windenergie in Rotationsenergie mit einer Windenergieanlage nicht mögich. Ein solcher Fall würde bedeuten, dass hinter der Windenergieanlage die Luftmassen ruhen und sich vor ihr unendlich aufstauen würden.
Es gibt zwei verschiedene physikalische Prinzipien, nach denen eine Windenergieanlage arbeiten kann:
(siehe auch Kapitel Technik weiter unten)
Schema einer WindenergieanlageTypen und Technik von Windenergieanlagen
Windenergieanlagen mit horizontaler Rotationsachse
Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der Windrichtung nachgeführt werden, wozu die Gondel mit einem Azimuthlager auf den Turm angebracht wird. Die Windrichtung wird bei großen Anlagen über die Messtechnik ermittelt. Die Windrichtungsnachführung, also das Drehen der Gondel, erfolgt über so genannte Giermotoren (auch Azimuthantrieb genannt) zwischen Gondel und Turm. Auftriebsläufer
Moderne WEA zur Stromerzeugung sind aerodynamisch angetriebene Anlagen. Bei ihnen sind die Rotorblätter als aerodynamisches Profil ausgeprägt, das ähnlich wie bei Flugzeugen durch einen Druckunterschied, der aus einem Geschwindigkeitsunterschied an Flügelsaug- und Druckseite herrührt, einen Auftrieb erzeugt.
Dieser Auftrieb wird in eine Drehbewegung umgesetzt.Widerstandsläufer
Parallel dazu gibt es schon wesentlich länger die so genannten Widerstandläufer (z.B. Westernmill - bekannt aus Westernfilmen), die über die gesamten Rotorfläche viele Rotorblätter haben. Diese Anlagen setzen dem Wind ihre Rotorfläche entgegen und wandeln den Druck des Windes in eine Drehbewegung um. Sie sind aufgrund des höheren Drehmoments bei geringer Windstärke gut für das Verrichten von mechanischer Arbeit geeigenet. Eine übliche Anwendung ist das Heben von Wasser (Pumpen). Zu dieser Kategorie gehört auch die "klassische" europäische Windmühle.
Widerstandsläufer haben einen schlechten Wirkungsgrad (maximal ca.15 %), da ihre Rotoren nicht aerodynmaisch geformt sind. Dafür sind sie jedoch oft einfach und robust aufgebaut.
Bei einem Widerstandläufer ist die Schnelllaufzahl immer kleiner als eins.Lee- und Luv-Läufer
Weiterhin unterscheidet man, ob sich der Rotor auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvläufer) oder auf der dem Wind abgewandten Seite (Leeläufer) des Turmes befindet.
Leeläufer haben zwar den Vorteil, dass die Gefahr einer Rotorblattberührung mit dem Turm deutlich geringer ist, sie haben sich bei großen Anlagen jedoch nicht durchgesetzt, da es zu Unstetigkeiten in der Rotordrehzahl und zu Schwingungen kommt, wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert.Windenergieanlagen mit vertikaler Rotationsachse
Windenergieanlagen mit vertikaler Rotationsachse unterscheidet man in
Diese Typen sind, mit Ausnahme von Windgeschwindigkeitsmessgeräten, so genannten Schalenkreuzanemometern (Savonius-Rotor), eher selten zu sehen.Bestandteile einer Windenergieanlage
Eine Windenergieanlage besteht aus dem Fundament, dem Turm, einer Maschinengondel mit dem Generator, dem Getriebe (außer Enercon), dem Rotor mit Nabe und Rotorblättern sowie der notwendigen Elektronik und Netzanschlusstechnik im Fuß des Turmes oder außerhalb. Diesem kommt eine ganz entscheidende Rolle zu, da auf ihm die Gondel befestigt wird. Durch größere Anlagenhöhen kann aufgrund der höheren Windgeschwindigkeiten und des konstanteren Windes mehr Ertrag gewonnen werden. Der Turm muss bei allen Betriebsbedingungen die Schwingungen der Gondel sicher und dauerhaft aushalten.Generator
Rotorblätter
Die Rotorblätter sind elementarer und prägender Bestandteil einer Windenergieanlage. Durch sie wird die Energie dem Wind entnommen und dem Generator zugeführt. Sie sind für einen Teil der Betriebsgeräusche verantwortlich und werden daher immer mehr auf Geräuschminderung und Ertragsteigerung optimiert.Blitzschutz
Die Rotorblätter sind mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet, das die Entladung an die Erdung des Maschinenhauses abgibt.
Vereisung
Eisbildung führt zu einer Wirkungsgradminderung, da sie die Form und damit das aerodynamische Profil der Blätter verändert. Sie führt auch zu Unwuchten am Rotor. Abfallende Eisbrocken stellen eine erhebliche Gefährdung der näheren Umgebung einer WEA dar. Eisbildung tritt jedoch nur selten bei bestimmten Wetterlagen auf. Die Anlagen schalten sich bei erkanntem Eisansatz automatisch ab.
siehe auch RotorblattTurmvarianten
Fundamentvarianten
....
Regelung
Die WEA wird von der Betriebsführung bei ertragsversprechender Windgeschwindigkeit (Anlaufwindgeschwindigkeit) hochgefahren und bei zu großer Windgeschwindigkeit (Abschaltwindgeschwindigkeit) wieder abgeschaltet, um eine mechanische Überlastung zu verhindern. Die Windgeschwindigkeit wird dabei über das Anemometer ermittelt, bzw. aus der Drehzahl des Rotors und der abgegebenen Leistung abgeleitet.
Drehzahlregelung
Drehzahlvariable pitchgeregelte Anlagen
Drehzahlvariable pitchgeregelte Anlagen stellen zur Zeit den aktuellen Stand der Technik im Windenergieanlagenbau dar.Drehzahlstarre Stallanlagen
Drehzahlstarre Anlagen der 500kW-Klasse stellten lange Zeit den Stand der Technik im Windenergieanlagenbau dar. Sie bestehen aus einem Dreiblattrotor mit nicht verstellbaren Rotorblättern, der seine Drehbewegung über ein Getriebe an den Generator leitet. Der Generator läuft netzsynchron. Durch die elektrische Verschaltung am Generator können meist zwei Drehzahlen gefahren werden, um den Teillast- und Vollastbereich abzudecken. Dieser Anlagentyp ist maßgeblich für den schlechten Ruf der Windenergie in Bezug auf die Netzverträglichkeit verantwortlich. Es ist nur in einem Toleranzbereich möglich die Rotordrehzahl konstant zu halten. Windböen können kurzzeitige Lastspitzen verursachen, die zu Frequenz- und Spannungschwankungen im Stromnetz führen. Dieses Manko konnte erst durch drehzahlvariable Anlagen mit einem Netzwechselrichter ausgeglichen werden. Drehzahlstarre Aktivstallanlagen
(...)
Windrichtungsnachführung
Die Windrichtungsnachführung kann entweder durch den Wind selbst, mittels einer Windfahne, erfolgen, oder durch Stellmotoren (Azimuthantrieb), wie es bei großen Anlagen üblich ist. Die Windrichtung wird über Sensoren ermittelt. (siehe auch z.B. Windrichtungsgeber)Schattenwurfregelung/Discoeffekt
Anlagen, bei denen die Gefahr des Schattenwurfes besteht, können mit einer sonnenstands- und wetterabhängigen Schattenwurfregelung ausgerüstet werden. Diese schaltet die Anlage ab, wenn Gefahr besteht, dass unerwünschter Schattenwurf (z.B. auf Wohngebiete) entsteht.Schallreduzierter Betrieb
Anlagen, die in der Nähe von Wohngebieten stehen, können zu bestimmten, lärmsensiblen Zeiten (nachts) in einen schallreduzierenden Betriebszustand gebracht werden. Da die Lärmemission einer WEA besonders von ihrer Blattspitzengeschwindigkeit abhängt, wird dazu die Drehzahl der Anlage abgesenkt. Mit der Absenkung der Drehzahl geht bei höheren Windgeschwindigkeiten immer ein Ertragsverlust einher.Netzeineinspeisung
Netzrückwirkungen (Blindstromkompensation, kurzzeitige Schwankungen, etc.)Forschung und Entwicklung
Politischer Einfluss
Windenergie in der Diskussion
Windpark-Landschaft in Mecklenburg
Statistiken zur Windenergie in Deutschland | 2001 | 2002 | 2003
|
---|---|---|---|
Stromverbrauch gesamt | 580,5 TWh | 581,7 TWh | 588,0 TWh |
Windenergieanlagen (ohne Prototypen) | 11.407 | 13.654 | 15.387 |
Stromerzeugung | 10,7 TWh (1,8 %) | 16,5 TWh (2,8 %) | 18,6 TWh (3,2 %) |
installierte Anlagenleistung | 8,7 GW | 11,8 GW | 14,6 GW |
durchschnittl. Nennleistung pro Anlage | 763 kW | 864 kW | 949 kW |
durchschnittl. Leistung (% d. Nennleistung) | 14,0 | 16,0 | 14,5 |
Quelle: VDN/VdEW |
Wie an der letzten Zeile der Tabelle zu erkennen ist, kann aus der Nennleistung von Windenergieanlagen im Gegensatz zu konventionellen Kraftwerken nur bedingt auf den möglichen Jahresertrag geschlossen werden, da der Wind im Gegensatz zur Verbrennung fossiler Rohstoffe keine konstante Größe ist.
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Hersteller
Sie dazu: Liste der Hersteller von WindenergieanlagenLiteratur
Weblinks
Forschung