Windenergie ist eine der wichtigsten erneuerbaren Energien der Welt. Aufgrund seiner Fähigkeit, saubere Energie zu erzeugen, ohne Treibhausgase zu produzieren, wird es zunehmend genutzt. Daher ist es wichtig, seinen Betrieb und insbesondere den von Windkraftanlagen zu kennen. Hier werden wir ausführlich auf ihre Funktionsweise und ihre wichtigsten Funktionen eingehen.
Eine Windkraftanlage, auch Windkraftanlage genannt, ist eines der Grundelemente dieser Energieart. Obwohl im Allgemeinen alle Turbinen ähnliche Aspekte aufweisen, gibt es je nach Windpark oder Installation unterschiedliche Typen. Darüber hinaus haben sich Turbinen seit ihren ersten Modellen weiterentwickelt, sodass wir Energie immer effizienter gewinnen können.
In diesem Artikel erfahren Sie alles Wissenswerte über Windkraftanlagen, ihre Eigenschaften und Funktionsweise sowie weitere Details zum Aufbau von Windparks.
Was ist eine Windkraftanlage
Eine Windkraftanlage ist ein mechanisches Gerät, das Windenergie in elektrische Energie umwandelt. Es soll die kinetische Energie des Windes durch die Bewegung der Rotorblätter in mechanische Energie umwandeln, die anschließend mithilfe eines Generators in Strom umgewandelt wird.
Das grundlegende Funktionsprinzip einer Windkraftanlage basiert auf drei Grundgesetzen der Physik:
- Die von der Turbine erzeugte Energie ist proportional zum Quadrat der Windgeschwindigkeit. Das heißt, wenn sich die Windgeschwindigkeit verdoppelt, erhöht sich die erzeugte Leistung um das Vierfache.
- Die verfügbare Energie ist proportional zur von den Rotorblättern überstrichenen Fläche, d. h. je größer die Rotorblätter, desto größer die aufgenommene Energiemenge.
- Der maximale theoretische Wirkungsgrad einer Windkraftanlage beträgt 59 %, die sogenannte Betz-Grenze.
Im Gegensatz zu alten Windmühlen, die durch direkten Windschub angetrieben wurden, nutzen moderne Turbinen komplexere aerodynamische Prinzipien wie den Venturi-Effekt, um so viel Energie wie möglich einzufangen.
Innenraum von Windgeneratoren
Im Inneren einer Windkraftanlage finden wir mehrere Schlüsselelemente, die es ermöglichen, die kinetische Energie des Windes in Elektrizität umzuwandeln. Der aus Rotorblättern bestehende Rotor ist dafür verantwortlich, die Energie des Windes einzufangen und ihn um seine Achse drehen zu lassen.
Diese Drehbewegung wird über ein Antriebsstrangsystem, zu dem auch das Getriebe gehört, das die Drehzahl auf ein für den Generator geeignetes Niveau erhöht, auf den elektrischen Generator übertragen. Der Generator basiert auf dem Faradayschen Gesetz, das besagt, wie rotierende mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.
Dazu verfügt das System über einen mit der Lichtmaschine gekoppelten Rotor, der die mechanische Bewegung in elektrische Energie umwandelt. Der erzeugte Strom kann direkt genutzt oder zur späteren Nutzung in Batterien gespeichert werden.
Elemente einer Windkraftanlage
Eine Windkraftanlage besteht aus verschiedenen Elementen, die zusammenarbeiten, um einen optimalen Betrieb der Turbine und die effektive Umwandlung von Windenergie in Strom zu gewährleisten. Das sind die Hauptbestandteile:
- Rotor: Der Rotor ist das Element, das die Energie des Windes sammelt. Es besteht aus Flügeln, die dank ihrer aerodynamischen Gestaltung auch bei geringen Windgeschwindigkeiten rotieren.
- Kupplungssystem: Dabei handelt es sich um eine Reihe von Mechanismen, die die Rotorblätter mit dem Rotor des Generators verbinden, um die Drehbewegung zu übertragen.
- Multiplikator oder Getriebe: Dieses System erhöht die Drehzahl des Rotors von etwa 10–40 U/min auf die 1.500 U/min, die der Generator zur Stromerzeugung benötigt.
- Generator: Der Generator wandelt mechanische Energie in Elektrizität um. Abhängig von der Turbine kann ihre Leistung bei den neuesten Modellen zwischen 5 kW und 10 MW variieren.
- Orientierungsmotor: Dadurch können sich Gondel und Rotor so drehen, dass sie immer der vorherrschenden Windrichtung zugewandt sind.
- Stützmast: Es ist die Struktur, die den Generator und den Rotor trägt. Je größer die Turbine, desto höher ist die Höhe, in der sich die Gondel befindet.
- Rotorblätter und Anemometer: Anemometer messen die Windgeschwindigkeit, während Sensoren die Rotorblätter abbremsen, wenn der Wind bestimmte Schwellenwerte überschreitet, um Schäden an der Turbine zu verhindern.
Arten von Windkraftanlagen
Es gibt zwei Haupttypen von Windkraftanlagen, die sich durch die Ausrichtung der Rotorachse unterscheiden:
- Turbinen mit horizontaler Achse: Sie werden traditionell in Windparks eingesetzt und haben eine Rotationsachse parallel zum Boden. Dieser Typ ist im Hinblick auf die von der überstrichenen Oberfläche aufgenommene Energie am effizientesten.
- Turbinen mit vertikaler Achse: Diese Turbinen haben den Vorteil, dass sie Winde aus jeder Richtung einfangen können, ohne dass sie sich neu ausrichten müssen, allerdings ist ihr Wirkungsgrad im Vergleich zu denen mit horizontaler Achse meist geringer.
Darüber hinaus gibt es neue Designs, wie zum Beispiel blattlose Windkraftanlagen, die sich Windschwingungen zur Stromerzeugung zunutze machen, obwohl sie sich noch in der Entwicklungsphase befinden.
Betrieb eines Windparks
Ein Windpark besteht aus mehreren Windkraftanlagen, die strategisch so platziert sind, dass sie die vorherrschenden Winde in der Region optimal nutzen. Der Turbinensatz verbindet den erzeugten Strom über ein internes Netzwerk, das ihn zu einem Umspannwerk transportiert, wo der Strom in eine für die Verteilung geeignete Spannung umgewandelt wird.
Um den kontinuierlichen Betrieb und die Effizienz des Parks sicherzustellen, werden Kontrollsysteme eingesetzt, die die Windgeschwindigkeit, die Ausrichtung der Gondeln und den Status der Turbinen überwachen. Dadurch kann die Stromproduktion maximiert und Schäden bei sehr starkem Wind vermieden werden.
Darüber hinaus nutzen einige Anlagen Offshore-Windkraftanlagen (Offshore-), die zwar teurer in der Installation sind, aber die Möglichkeit bieten, die Vorteile konstanterer und stärkerer Winde auf See zu nutzen.
Vor- und Nachteile der Windenergie
Windenergie hat wie andere Energiequellen Vor- und Nachteile:
Vorteile:
- Es ist eine Energiequelle verlängerbar, unerschöpflich und stößt keine Treibhausgase aus.
- Ermöglicht Abhängigkeit reduzieren fossiler Brennstoffe.
- Windparks können an verschiedenen Standorten installiert werden, u. a Meeresgebiete und landwirtschaftliche Flächen, ohne deren Nutzung zu beeinträchtigen.
- Su Der CO2-Fußabdruck ist minimal im Vergleich zu anderen Energietechnologien.
Nachteile:
- Der Wirkungsgrad hängt von der Verfügbarkeit des Windes ab, was ihn zu einem macht intermittierende Quelle von Energie.
- Die visuellen und akustischen Auswirkungen von Windparks können in manchen Gebieten von Nachteil sein.
- Große Turbinen können Auswirkungen auf die Tierwelt haben, insbesondere auf Vögel. Deshalb müssen diese Faktoren bei der Standortwahl berücksichtigt werden.
- Die anfänglichen Installationskosten sind hoch, amortisieren sich aber langfristig.
Windenergie ist nach wie vor eine der besten Optionen für eine nachhaltigere und umweltfreundlichere Energieerzeugung. Mit ständigen technologischen Fortschritten verbessern sich Windkraftanlagen nicht nur hinsichtlich der Effizienz, sondern werden auch optisch und akustisch zugänglicher und weniger aufdringlich, was sie zu einer praktikablen Option für die Zukunft der globalen Energie macht.