Das Windangebot
Die Nutzung der Energie des Windes ist eine der ältesten regenerativen
Energienutzung in der Geschichte der Menscheit. Die Erzeugung von elektrischen
Strom ist natürlich jüngerem Datums, wobei die erste Windkraftanlage
(WKA) zur Erzeugung von elektrischem Strom 1891 in Dänemark gebaut wurde.
Das Windangebot ist natürlich regional stark verschieden. In Deutschland
sind die höchsten mittleren Luftgeschwindigkeiten vor und an der Küste
gegeben, da die bewegten Luftmassen über dem Meer nur wenig abgebremst
werden.
Im Binnenland nehmen die Durchschnittsgeschwindigkeiten mit zunehmender
Entfernung von der Küste stark ab. Aufgrund der Bodenrauhigkeit kommt
es zu einer Verschiebung der Linien gleicher Windgeschwindigkeiten in immer
größere Höhen ( am Boden ist die Windgeschwindigkeit exakt
gleich 0). Demnach ist die Nordseeküste durch mittlere Windgeschwindigkeiten
von 6 m/s und mehr gekennzeichnet. Im Binnenland sinkt dann schnell die mittlere
Windgeschwindigkeit auf Werte von 4 m/s.
Überträgt man diese Gegebenheiten auf eine Karte der Bundesrepublik
Deutschland, ergeben sich folgende Gegebenheiten. Rund um die Küste
der Nordsee gibt sich ein Starkwindgürtel von 6 m/s und mehr.
Aussichtsreiche Gegenden sind ferner die Höhenlagen der Mittelgebirge,
insbesondere natürlich die Höhen, die sich am Anschluß der
norddeutschen Tiefebene erheben, da hier der Wind noch relativ ungebremst
wehen kann. Gerade aber in der komplexen Struktur der Mittelgebirge hängt
das Angebot stark von lokalen Gegebenheiten ab, wie man am Beispiel der drei
Windräder in Neutsch im Odenwald sieht und wie eine Analyse der lokalen
Windverhältnisse rund um Reutlingen also der Schwäbischen Alb zeigt.
Das Geheimnis eines guten Standortes liegt in der Kombination der drei
Grundbedingungen für den Standort einer Windkraftanlage:
|
-
a. Windangebot
-
b. Zufahrt für Schwerlast-fahrzeuge
-
c. Unmittelbare Nähe einer Hochspannungsleitung (20 kV)
|
Aufbau einer Windkraftanlage
Die kinetische Energie des Windes berechnet sich aus:
mit W ® Arbeit [ Nm = Ws = J ]
m ® Masse des Windes [ kg ]
v ® Windgeschwindigkeit [ m / s ]
V ® Dichte der Luft [kg/m3]
F ® winddurchströmte Fläche [m2]
Eine Windkraftanlage nutzt die kinetische Energie des Windes. Entscheidender
Faktor neben der Fläche, die sich dem Wind entgegenstellt, ist die
Windgeschwindigkeit, die mit der dritten Potenz in die Leistung eingeht.
Eine Verdoppelung der Windgeschwindigkeit bedeutet also den achtfachen Anstieg
der Leistung. Natürlich kann nicht die gesamte Energie des Windes genutzt
werden, denn die auf 0 abgebremsten Luftmassen müssen ja auch wieder
weggeschoben werden. Sucht man das gewinnbare Leistungsmaximum läßt
sich errechnen, daß bei einem Geschwindigkeitsverhältnis von 3
zu 1 zwischen anströmender Luft und abströmender Luft, das
Leistungsmaximum von 0,593 erreicht wird. Dies gilt natürlich theoretisch
für einen idealen verlustlosen Strömungsvorgang.
Praktisch realisierbare Rotorwirkungsgrade liegen heute zwischen 50 % und
75 %.
Energetisch gesehen liegt bei einer Windkraftanlage eine Energiewandlungskette
vor. Die Kinetische Energie des Windes wird zunächst in mechanische
Bewegungsenergie umgewandelt, um dann nach Zwischenbearbeitung (Getriebe)
in elektrische Energie umgewandelt zu werden.
Der Aufbau eines tatsächlichen Windrads folgt natürlich diesem
Schema. Anhand einer Standardmaschine mit einer Leistung von 600 kW soll
kurz der Aufbau erläutert werden.
Die Rotornabe endet direkt in einem dreistufigen Getriebe, das die Rotordrehzahl
von 18 bzw. 27 U/min auf die erforderliche Generatordrehzahl von 1000
bzw. 1500 U/min umsetzt. Auf der schnellaufenden Welle sitzt
dann direkt der 600 kW Assynchrongenerator. Auf dem Dach der Gondel sitzt
ein Windmeßsystem, das über einen internen Betriebsrechner, das
ganze Windrad steuert und auch vor allem dafür sorgt, daß die
Gondel ständig der aktuellen Windrichtung nachgeführt wird. Als
Stellmotor fungiert ein kleiner, senkrecht eingebauter Getriebemotor, der
die gesamte Gondel über einen Zahnkranz über mehr als 1800 °
( 5 Umdrehungen) drehen kann. Das Bremssystem besteht aus
Sicherheitsgründen aus 2 Scheibenbremsen eine große auf der langsam
laufenden Welle und einer kleineren auf der schnelllaufenden Welle. Die Leistung
von 600 kW wird bei einer Windgeschwindigkeit von 14,5 m/s erreicht.
|