Windkraft / Windenergie - Windkraftanlagen

Die Nutzung der Windkraft ist seit Jahrhunderten bekannt. Üblich war früher die Nutzung der mechanischen Energie (Windmühlen), heute steht die Erzeugung elektrischer Energie im Vordergrund.

Moderne Windkraftanlagen arbeiten weit überwiegend nach dem Auftriebsprinzip, wobei aerodynamisch geformte Rotorblätter, wie sie auch im Flugzeugbau Verwendung finden, eingesetzt werden. Gegenüber diesen Auftriebsrotoren erreichen Widerstandsrotoren maximal einen Leistungsbeiwert von ca. 35 %, da die Rotorflächen auf dem Rückweg gegen den Wind geführt werden müssen.

Mit diesem Prinzip einhergehend werden die heutigen Windkraftanlagen zumeist mit Horizontalachsenrotoren ausgestattet, die der Windrichtung nachgeführt werden müssen. Sie erfordern die Installation des Generators in der Turmspitze. Vertikalachsenrotoren ermöglichen demgegenüber eine ebenerdige Aufstellung des Generators und benötigen keine Windnachführung. Sie weisen jedoch geringere Wirkungsgrade auf und benötigen teils eine Anlaufhilfe. Bekannt als Vertikalsysteme sind der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.

Am gebräuchlichsten ist die Einteilung von Windkraftanlagen nach ihrer installierten Leistung, wobei bislang in Kleinanlagen (< 70 kW, ca. 25 m hoch), mittlere Anlagen (70-750 kW, ca. 40-65 m hoch) und Großanlagen (>750 kW, ca. 60-100 m hoch) unterschieden wurde. Es ist nicht auszuschließen, daß diese Einteilung zukünftig überholt wird, bereits heute hat sich unter Neuanlagen die "Megawatt-Klasse" etabliert, und ein Ende dieser Entwicklung ist insbesondere im Zusammenhang mit Offshore-Anlagen nicht definierbar.

Für die Leistungsregelung stehen verschiedene Systeme zur Verfügung. Das einfachste Verfahren ist das Herausdrehen aus dem Wind, welches als Grobregelung für hohe Windgeschwindigkeiten eingesetzt werden kann. Die Stall-Regelung stellt ebenfalls eine relativ grobe Regelung nach dem Prinzip des Strömungsabrisses dar, energetisch günstiger ist die Blattwinkelregelung, die durch stufenlose Regelung des Anstellwinkels der Rotorblätter vorgenommen wird.

Zur Reduzierung von Momentenstößen beim Durchgang des Windes durch den Turmschatten wird die Horizontalachse des Rotors üblicherweise leicht geneigt, um den Abstand zwischen unteren Rotorblättern und Turm zu vergrößern.

Eine Windkraftanlage besteht in der Regel aus den folgenden Komponenten:

Fundament, Erdung
Mast	Die Masten weisen üblicherweise eine Höhe von 10 m bis 100 m auf, wobei mit zunehmender Höhe nicht nur der Energieertrag steigt, sondern auch die Errichtungskosten aufgrund der aufwenigeren Statik. Die Masten werden aus Stahl oder Beton (Holz nur bei sehr kleinen Masten) errichtet und dienen der Aufnahme von Gondel, Rotor, Getriebe und Generator.
Gondel	Die Gondel bildet Grundrahmen, Träger und Verkleidung zur Aufnahme und Befestigung von Getriebe und Generator. Sie dient der Aufnahme aller an der Mastspitze auftretender Kräfte und Momente.
Rotorblätter	Die Anzahl der Rotorblätter ist für den energetischen Wirkungsgrad unbedeutend. Je weniger Blätter eingesetzt werden, um so höher ist die Drehzahl der Anlage, um in gleicher Zeit die gleiche Fläche nutzen zu können. Zur Mitte hin sind die Rotorblätter meist als Holmverbindung ohne aktive Fläche konstruiert, da das Verhältnis zwischen Nutzen (Hebelarm, Strömungsfläche) und Aufwand nach innen deutlich ungünstiger wird. Die modernen Rotorblätter werden aus Kunststoff (GFK, CFK) gefertigt.
Getriebe	Das Getriebe sorgt für die Übersetzung der vergleichsweise geringen Rotordrehzahl auf die installierte Nenndrehzahl des Generators.
Rotorwelle	Die Rotorwelle stellt die Verbindung zwischen Rotor und Getriebe dar.
Generator	Als Generatoren sind sowohl Synchron- als auch Asynchron-Generatoren einsetzbar.
Steuerfahnen	Die Steuerfahne bewirkt die automatische Einstellung des Winkels zwischen Gondel/Rotor und Windrichtung.
EMSR-Technik

Sonderformen der Nutzung von Windkraft stellen das Aufwindkraftwerk und der Windhamster dar. Eine Beschreibung des Aufwindkraftwerkes findet sich unter der Rubrik Solarwärme, da keine natürliche Luftströmung sondern ein technisch durch Solarwärme erzeugter Wind genutzt wird. Der Windhamster ist nach Kenntnis der Redaktion nicht mehr am Markt präsent, nachdem eine Versuchsanlage in der Nähe Dresdens seit Jahren nicht mehr in Betrieb ist. Die Anlage soll nach dem Prinzip des Wirbelstroms gearbeitet haben und einen im Baukörper befindlichen Rotorkörper anstelle von außenliegenden Rotorblättern verwandt haben.

Literaturtip: