Windenergie

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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.

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