Regenerative Energie
Die Bewegung der Luftmassen stellt physikalisch eine Strömung dar (Wind). Es werden dabei zwei Zustände unterschieden, die laminare und die turbulente Strömung. Kriterium für die Unterscheidung ist die Bildung von Verwirbelungen, also das Abweichen einzelner Teilströme von der Hauptströmungsrichtung. Der Grad der Turbulenz hängt neben der Windgeschwindigkeit und der Luftdichte vor allem von der Beschaffenheit der Erdoberfläche, der Rauhigkeit, ab. Je unregelmäßiger die Oberfläche, desto höher die Reibung des Windes an der Oberfläche und desto stärker die Verwirbelung des Windes und die Abnahme der Windenergie. Für charakteristische Oberflächen wurde folgendes Verhältnis (als Exponent) bzgl. der Reibung ermittelt:
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Offenes Meer |
1 |
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Küste |
25 |
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Flachland, Weide |
150 |
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Wald |
5.000 |
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Stadt |
10.000 |
Turbulente Strömung kann über das Auftriebsprinzip nicht zur Energiegewinnung genutzt werden. Für Windkraftanlagen ergibt sich hieraus die Forderung nach Mindestabständen von Hindernissen, die zur Verwirbelung der Luftströmung führen können. Üblicherweise wird die Hindernishöhe multipliziert mit dem Faktor 20 als ausreichende Entfernung erachtet. Der einzuhaltende Abstand zwischen Windkraftanlagen in einem Windpark sollte das 10- bis 40-fache des Rotordurchmessers betragen.
Grundsätzlich gilt, daß mit steigender Höhe sowohl die Windgeschwindigkeit als auch die Gleichmäßigkeit, mit der diese Windgeschwindigkeit auftritt, ansteigen. Dies ist auch bei der Auslegung von Windkraftanlagen mit großen Rotorblättern unter dem Aspekt der Momentenstöße zu beachten, da zeitgleich Blätter des gleichen Rotors verschiedenen Windgeschwindigkeiten unterliegen können.
Die optimale Nutzung eines Windkonverters ist gegeben, wenn die durch die Rotorfläche geströmte Luft gerade noch genug Energie zum Wegströmen besitzt, um keine Bremswirkung zu entfalten. Theoretisch und empirisch ist hierfür der Punkt ermittelt worden, an dem die Geschwindigkeit des Windes beim Durchtritt durch die vom Rotor beschriebene Fläche auf gut ein Drittel reduziert wird. Der aerodynamische Wirkungsgrad (Leistungsbeiwert) des Konverters ist damit von vornherein auf maximal ca. 60 % begrenzt. In der Praxis werden Leistungsbeiwerte von 40-50 % erreicht, die zu Gesamtwirkungsgraden (incl. der Teilwirkunsgrade von Rotor, Getriebe und Generator) bei Windkraftanlagen von ca. 35 % führen.
Der Leistungsbeiwert ist als Funktion der Schnellaufzahl (s.u.) einer Windkraftanlage darstellbar, wobei Anlagen mit einem maximalen Leistungsbeiwert im Schnellaufzahlbereich von 1-3 als Langsamläufer und Anlagen mit einem maximalen Leistungsbeiwert im Schnellaufzahlbereich oberhalb 5 als Schnelläufer bezeichnet werden. Die Schnellaufzahl ist definiert als das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblattspitzen zur Windgeschwindigkeit, bei gegebener Konstruktion also das Verhältnis von Drehzahl zu Windgeschwindigkeit.
Da der Leistungsbeiwert in Abhängigkeit der Schnellaufzahl ein ausgeprägtes Maximum erreicht, ergibt sich, daß bei Änderung der Windgeschwindigkeit die Drehzahl des Rotors angepaßt werden müßte, um eine konstante Schnellaufzahl und damit maximalen Leistungsbeiwert zu erzielen (Windführung). In der Praxis wird häufig mit konstanter Drehzahl gearbeitet, die anhand der statistisch am Standort wahrscheinlichsten Windgeschwindigkeit ermittelt wird.
Hinsichtlich der Anlagengröße ist zu beachten, daß mit zunehmender Rotorblattlänge für eine bestimmte Schnellaufzahl die tatsächliche Drehzahl abnimmt (aufgrund der Abhängigkeit der Umfangsgeschwindigkeit vom Radius). Dies kann zu einer optischen "Beruhigung" von Windkraftanlagen genutzt werden.
