Was sind Windkraftanlagen?
Windkraftanlagen sind eine Form der erneuerbaren Energie, die sowohl an Land als auch offshore installiert werden kann. Sie nutzen die kinetische Energie des Windes, um eine Turbine anzutreiben, die über einen elektrischen Generator Elektrizität erzeugt.
Windkraftanlagen gibt es in verschiedenen Größen, von kleinen Anlagen für den häuslichen Gebrauch (kW-Bereich) bis hin zu großen Anlagen, die eine ganze Stadt (MW-Bereich) versorgen können. Mit dem technologischen Fortschritt werden sie auch zunehmend erschwinglicher.
Windkraftanlagen
Die Nutzung von Windkraftanlagen bietet viele Vorteile, darunter die Reduzierung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen (Kohle, Öl usw.) und die Senkung der Treibhausgasemissionen. Es gibt jedoch auch einige Nachteile zu berücksichtigen, wie Lärm und visuelle Auswirkungen. Im Allgemeinen gelten Windkraftanlagen als saubere und effiziente Methode zur Erzeugung erneuerbarer Energie.
Was ist Wind und wie entsteht er?
Wind ist die Bewegung von Luft innerhalb unserer Atmosphäre, verursacht durch Druckunterschiede, die durch verschiedene Faktoren entstehen. Wenn Luft von der Sonne erwärmt wird, steigt sie auf und erzeugt ein Tiefdruckgebiet. Umgekehrt, wenn Luft abkühlt, sinkt sie ab und es entsteht ein Hochdruckgebiet. Diese Druckunterschiede führen dazu, dass sich die Luft von Hochdruckgebieten zu Tiefdruckgebieten bewegt, da der Druck versucht, sich auszugleichen.
Die Geschwindigkeit, mit der sich die Luft bewegt, hängt von der Größe des Druckunterschieds ab. Ein größerer Druckunterschied führt zu stärkeren Winden, während ein kleinerer Druckunterschied zu sanfteren Brisen führt. Wenn es keinen Druckunterschied gäbe, gäbe es keinen Wind, aber dies tritt in realen Situationen nicht auf. Der kontinuierliche Prozess der Druckausgleichung führt zu einer ständigen Luftbewegung, und dies formt die Wetter- und Klimamuster, die wir täglich erleben.
Um besser zu verstehen, wie Wind entsteht, können wir uns auf den Prozess der natürlichen Konvektion beziehen. Erwärmte Luft steigt auf, da sie weniger dicht wird, und kühlere Luft verdrängt sie aufgrund ihrer höheren Dichte. Diese Verdrängung drückt die weniger dichte Luft (wärmere Luft) nach oben und erzeugt einen Kreislauf aus aufsteigender/steigender Luft und absteigender/abkühlender Luft. Natürliche Konvektion tritt in der Erdatmosphäre in viel größerem Maßstab auf, aber das grundlegende Prinzip bleibt dasselbe.
Natürliche Konvektion
Welche Haupttypen von Windkraftanlagen gibt es?
Windkraftanlagen können auf verschiedene Weise klassifiziert werden, aber eine der einfachsten Möglichkeiten, eine Windkraftanlage zu klassifizieren, ist nach ihrer Drehachse. Horizontale Achsen-Windkraftanlagen (HAWT) werden für große kommerzielle Anwendungen verwendet und sind die, die die meisten Menschen gesehen haben. Vertikale Achsen-Windkraftanlagen (VAWT) sind weniger verbreitet, weniger effizient und werden nicht für große kommerzielle Anwendungen genutzt.
Was sind die Hauptbestandteile einer Windkraftanlage?
Nachfolgend wird ein kurzer Überblick über die einzelnen Komponenten einer Windkraftanlage zu Informationszwecken gegeben; eine detaillierte Beschreibung jedes Teils folgt dann.
Teile einer Windkraftanlage
Die Hauptbestandteile einer Windkraftanlage sind:
- Fundament – trägt das Gewicht der Turbine und all ihrer Teile. Das Fundament wird typischerweise aus Beton oder Stahl gebaut.
- Turm – bietet strukturelle Unterstützung und hebt die Gondel an.
- Gondel – beherbergt alle Maschinen zur Stromerzeugung.
- Rotor – bestehend aus den Blättern und einer Nabe.
- Blätter – mit einer Tragflächenform gestaltet, um die kinetische Energie des Windes zu erfassen und in mechanische Energie umzuwandeln.
- Nabe – ein gemeinsames Teil, an dem alle Blätter befestigt sind.
- Niedriggeschwindigkeit-Welle – überträgt die mechanische Energie (Rotationsbewegung) vom Rotor auf ein Getriebe.
- Getriebe – erhöht die Rotationsgeschwindigkeit der Niedriggeschwindigkeit-Welle.
- Hochgeschwindigkeit-Welle – der Hochgeschwindigkeitsausgang des Getriebes verbindet sich mit der Hochgeschwindigkeit-Welle.
- Generator – wandelt die mechanische Energie der Hochgeschwindigkeit-Welle in elektrische Energie um.
- Bremssystem – stoppt die Rotorrotation im Notfall, bei zu niedriger Windgeschwindigkeit oder während Wartungsarbeiten an der Turbine.
- Yaw-Steuerungssystem – ein hydraulisches System, das den Turbinenrotor zur optimalen Energieerfassung in die Windrichtung ausrichtet.
- Pitch-Steuerungssystem – ein hydraulisches System, das den Anstellwinkel der Rotorblätter ändert. Durch die Änderung des Anstellwinkels (Anstellwinkel) wird die Leistungsausgabe der Turbine variiert.
- Elektronik – reguliert die Generatorausgangsspannung und -frequenz.
- Transformator – normalerweise am Fuß des Turms oder in der Gondel montiert. Der Transformator erhöht die Spannungsausgabe des Generators für eine effiziente Stromübertragung.
Eine detaillierte Betrachtung der Hauptbestandteile einer Windkraftanlage wird nun gegeben.
Turm
Der Turm hebt die Gondel an und maximiert so ihre Exposition gegenüber den höheren Windgeschwindigkeiten, die in größeren Höhen vorhanden sind. Je höher die Windgeschwindigkeit, desto mehr Energie steht zur Umwandlung in elektrische Energie zur Verfügung.
Gondel
Die Gondel ist ein Gehäuse, das sich oben auf dem Turm befindet. Sie beherbergt alle Maschinen zur Stromerzeugung, einschließlich Getriebe, Generator und Steuerungssysteme. Die Gondel schützt die Maschinen zur Stromerzeugung vor der Umwelt und reduziert so die Auswirkungen von Verschleiß, Korrosion und Erosion.
Rotor
Der Rotor besteht aus zwei Hauptteilen: den Blättern und der Nabe. Der Rotor erfasst Windenergie und wandelt sie in mechanische Energie um. Wenn der Wind über die Blätter strömt, erzeugt er eine Rotationskraft (Drehmoment), die auf die Nabe und folglich auf die anderen rotierenden Teile der Turbine (Niedriggeschwindigkeit-Welle, Getriebe, Hochgeschwindigkeit-Welle und Generator) übertragen wird.
Blätter
Die Blätter wandeln die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie um; dies wird erreicht, weil jedes der Blätter eine Tragflächenform hat. Das Tragflächendesign erzeugt Auftrieb, wenn Luft über die Oberfläche des Blattes strömt. Auftrieb ist die lineare Kraft, die auf das Blatt wirkt, aber es ist das Drehmoment - eine rotierende Kraft -, das die Blätter zum Drehen bringt.
Nabe
Die Nabe dient als zentraler Verbindungspunkt für alle Turbinenblätter. Die Nabe überträgt die durch die Blätter erzeugte Rotationsbewegung auf die Niedriggeschwindigkeit-Welle und dann auf die anderen rotierenden Teile der Turbine.
Niedriggeschwindigkeit-Welle
Die Niedriggeschwindigkeit-Welle überträgt die Rotationsbewegung des Rotors auf das Getriebe.
Getriebe
Das Getriebe nimmt die niedrige Rotationsgeschwindigkeit der Niedriggeschwindigkeit-Welle auf und erhöht sie, bevor sie an die Hochgeschwindigkeit-Welle weitergegeben wird.
Hochgeschwindigkeit-Welle
Die Hochgeschwindigkeit-Welle überträgt die Rotationsenergie vom Getriebe auf den Generator.
Generator
Der Generator ist für die endgültige Energieumwandlung verantwortlich. Er wandelt die mechanische Energie der Hochgeschwindigkeit-Welle in elektrische Energie um.
Bremssystem
Das Bremssystem ermöglicht eine sichere Betriebssteuerung der Windkraftanlage. Es kann die Rotorrotation bei Notfällen, niedrigen Windgeschwindigkeiten oder für Wartungsarbeiten stoppen.
Yaw-Steuerungssystem
Das Yaw-Steuerungssystem wird verwendet, um die Ausrichtung der Gondel und des Rotors in Bezug auf die Windrichtung anzupassen. Dieses System optimiert die Energieerfassung, indem es sicherstellt, dass die Blätter den Wind im effizientesten Winkel erfassen. Yaw-Steuerungssysteme sind normalerweise elektrisch oder hydraulisch betätigt.
Pitch-Steuerungssystem
Das Pitch-Steuerungssystem ändert den Anstellwinkel der Rotorblätter in Bezug auf den Wind. Durch die Anpassung des Anstellwinkels wird die gesamte Leistungsausgabe der Turbine angepasst. Aufgrund der Natur des Windes und seiner wechselnden Bedingungen ist die Pitch-Steuerung für den effizienten Betrieb einer Windkraftanlage unerlässlich.
Elektronik
Die Elektronik verwaltet und reguliert verschiedene Aspekte der Funktion der Turbine. Sie steuert die Generatorausgangsspannung und -frequenz und stellt sicher, dass die Turbine sicher und effizient mit dem Netz verbunden (synchronisiert) werden kann.
Transformator
Der Transformator befindet sich normalerweise entweder am Fuß des Turms oder in der Gondel und dient dazu, die Spannungsausgabe des Generators zu erhöhen. Diese Spannungserhöhung führt zu einer Reduzierung des Stroms, was bedeutet, dass Übertragungsverluste erheblich reduziert werden können.
Kabel und Umspannwerk
Kabel leiten elektrische Energie von der Windkraftanlage zu einem Umspannwerk. Mehrere Windkraftanlagen werden an ein einziges Umspannwerk angeschlossen. Das Umspannwerk verbindet den Windpark mit dem Stromnetz.
Wie funktionieren Windkraftanlagen?
Kommerzielle Windkraftanlagen sind hohe Strukturen, normalerweise mit drei Blättern, die sich um eine zentrale Achse drehen. Die zentrale Achse besteht aus einer Niedriggeschwindigkeit-Welle zwischen einem Rotornabe und einem Getriebe sowie einer Hochgeschwindigkeit-Welle zwischen dem Getriebe und dem elektrischen Generator (die beiden Wellen sind nicht buchstäblich entlang einer zentralen Achse installiert, sondern leicht versetzt).
Die Turbinenblätter werden durch die kinetische Energie des Windes (Energie aus Bewegung) gedreht. Jedes Blatt hat eine Tragflächen- (Airfoil) Form, um den Auftrieb zu maximieren und den Widerstand zu minimieren. Auftrieb ist eine Kraft, die auf die Blätter wirkt, wenn der Wind über sie hinwegströmt, aber es ist das Drehmoment (rotierende Kraft), das die Blätter um die zentrale Achse dreht.
Tragflächendesign
Die Blätter sind mit einer gemeinsamen Rotornabe verbunden, die mit einer Niedriggeschwindigkeit-Welle, dann einem Getriebe, dann einer Hochgeschwindigkeit-Welle und schließlich einem Generator verbunden ist. Die kinetische Energie des Windes wird durch die Blätter der Turbine in mechanische Energie umgewandelt; diese Energie wird dann an einen Generator übertragen, wo sie in elektrische Energie umgewandelt wird. Alle diese Komponenten sind in einer Gondel untergebracht, die oben auf einem Turm installiert ist.
Windkraftanlagen verwenden oft ein zylindrisches Monopol-Turmdesign, obwohl auch Gitter-Konstruktionen möglich sind. Monopol-Türme werden typischerweise aus Stahl hergestellt, können aber auch aus Beton gebaut werden.
Wie groß können Windkraftanlagen sein?
Die größte kommerzielle Windkraftanlage ist die Haliade-X von General Electric. Die Haliade-X ist 260 m (853 ft) hoch, hat einen Rotordurchmesser von 220 m (721 ft) und kann fast 13 MW elektrische Energie erzeugen (genug für etwa 10.000 Haushalte).
Warum sind Windkraftanlagen so hoch?
Die Windgeschwindigkeiten sind in höheren Lagen größer. Die Menge an Energie, die eine Windkraftanlage aus dem Wind extrahieren kann, ist proportional zur Windgeschwindigkeit. Höhere Windgeschwindigkeiten enthalten mehr potenzielle Energie, daher werden Windkraftanlagen hoch gebaut, um diese potenzielle Energie zu erreichen und zu nutzen.
Was sind die Vorteile von Windkraftanlagen?
Windkraftanlagen werden zunehmend als Quelle für erneuerbare Energie genutzt. Es gibt viele Vorteile bei der Nutzung von Windkraftanlagen gegenüber traditionellen fossilen Brennstoffquellen, einschließlich ihrer fehlenden Emissionen (nach der Installation und Inbetriebnahme), niedrigen Wartungskosten und Fähigkeit, auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten Strom zu erzeugen. Windkraftanlagen können auch zur Ergänzung anderer Energiequellen verwendet werden, wie Solar (Photovoltaik, oft abgekürzt als 'PV'), Wasserkraft und nicht erneuerbare Kraftwerke (Kohle, Gas, Öl usw.). Darüber hinaus können Windkraftanlagen auf verschiedenen Landtypen gebaut werden, einschließlich Ackerland, Wüste, städtische Gebiete und sogar auf See (offshore).
Was sind die Nachteile von Windkraftanlagen?
Windkraftanlagen sind eine zunehmend beliebte Quelle für erneuerbare Energie, aber sie haben auch einige Nachteile. Eines der bedeutendsten Probleme ist, dass Windkraftanlagen für manche Menschen visuell unattraktiv sein können, insbesondere in ländlichen Gebieten. Sie stellen auch eine Quelle der Lärmbelästigung dar, da die Blätter einer Turbine durch die Bewegung der Blätter durch die Luft und manchmal auch durch Vibration Geräusche erzeugen können. Windkraftanlagen können eine Bedrohung für die Tierwelt darstellen, da Vögel und Fledermäuse getötet werden können, wenn sie in die Blätter fliegen. Schließlich können Windkraftanlagen eine Quelle der Lichtverschmutzung sein, da die rotierenden Blätter flackernde Schatten erzeugen.
Insgesamt bieten Windkraftanlagen eine relativ saubere Energiequelle, aber sie kommen auch mit geringfügigen Nachteilen.
Wo kann eine Windkraftanlage installiert werden?
Windkraftanlagen können an verschiedenen Orten gefunden werden, von offenen Feldern bis zu Berggipfeln. Oft werden sie in sogenannten 'Windparks' gruppiert, die erhebliche Mengen an Energie (Hunderte von Megawatt) erzeugen können. Einige der größten Windparks befinden sich in den Vereinigten Staaten, China, Großbritannien und Deutschland. Da die Nutzung von Windenergie weiter wächst, ist es wahrscheinlich, dass Windkraftanlagen noch häufiger werden.
Windpark
Ressourcen, um mehr über Windkraftanlagen zu erfahren:
Das Windprogramm des US-Energieministeriums bietet eine Fülle von Informationen auf seiner Website.
Zusätzliche Ressourcen
https://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine
https://www.enelgreenpower.com/learning-hub/renewable-energies/wind-energy/wind-turbine
https://www.repsol.com/en/energy-and-the-future/future-of-the-world/wind-turbine/index.cshtml