Eine Windkraftanlage ist eine Windmühle, die die kinetische Energie des Windes in eine Drehbewegung umwandelt, um Strom zu erzeugen. Diese Windkraftanlagen sind ein wesentliches Element für die Erzeugung von Windstrom.
Windenergie ist eine erneuerbare Energiequelle, die dank der Kraft des Windes elektrische Energie erzeugt. Windkraftanlagen sind aerodynamisch konzipiert, um die Kraft des Windes in mechanische Energie und später in einem Generator in Elektrizität umzuwandeln.
Windparks bestehen aus mehreren Windkraftanlagen. Der Zweck von Windparks ist die Erzeugung elektrischer Energie, um diese in das Stromnetz einspeisen zu können.
Die in den Netzanschluss eingespeiste Frequenz muss in Europa konstant bei 50 Hz und in Amerika bei 60 Hz liegen. Der erzeugte Strom wird an eine Reihe von Konvertern weitergeleitet, bevor er in das Netz eingespeist wird.
Die Nutzungsdauer der derzeit installierten Windkraftanlagen beträgt knapp 25 Jahre.
Was macht der Aerogenerator?
Der Betrieb einer Windkraftanlage basiert auf einer Reihe clever konzipierter Schritte, die zusammenlaufen, um die Kraft des Windes zu nutzen und in Elektrizität umzuwandeln.
Erstens sind die Rotorblätter der Windkraftanlage aerodynamisch so gestaltet, dass sie den Impuls des Windes auffangen, wenn er weht. Der Wind prasselt gegen sie und erzeugt eine Kraft, die sie zum Drehen bringt. Diese Drehbewegung wird auf den Rotor übertragen, der mit einer Hauptwelle im Herzen der Windkraftanlage verbunden ist.
Diese Hauptachse wird zum Brennpunkt der Energiewende. Während sich die Rotorblätter drehen und der Rotor bewegt, wird die kinetische Energie des Windes in ein Getriebe geleitet. In diesem Schritt vollbringt das Getriebe eine geniale mechanische Leistung: Es wandelt die langsame, aber kraftvolle Bewegung des Rotors in eine schnelle Bewegung mit geringerer Kraft in der Generatorwelle um.
Diese mit dem Getriebe verbundene Generatorwelle ist wiederum mit einem elektrischen Generator verbunden. Der Generator enthält Magnete und Drahtspulen, die auf erstaunliche Weise interagieren, um elektrischen Wechselstrom (AC) zu erzeugen. Dieser neu erzeugte elektrische Strom ist das greifbare Produkt der kinetischen Energie des Windes.
Arten von Windkraftanlagen
Abhängig von der Lage der Rotorachse gibt es zwei Arten von Windkraftanlagen:
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Windkraftanlagen mit horizontaler Achse: Der Rotor ist aktiv oder passiv parallel zur Ursprungsrichtung des Windes ausgerichtet.
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Windkraftanlagen mit vertikaler Achse: deren Ausrichtung unabhängig von der Ursprungsrichtung des Windes ist.
Windgenerator mit horizontaler Achse
Ein am Boden rotierender Windgenerator mit horizontaler Achse besteht aus einem Stahlturm mit Höhen zwischen 60 und 100 Metern. An der Spitze des Turms befindet sich eine Gondel, in der sich die wichtigsten Elemente der Maschine befinden:
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Die Rotorblätter, die die Energie des Windes einfangen. Die Blätter sind zwischen 20 und 60 Meter lang.
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Der Rotor wandelt Windenergie in mechanische Energie um.
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Ein Getriebe zur Veränderung des Verhältnisses von Winkelgeschwindigkeit und Leistung, um optimale Werte für den Betrieb des elektrischen Generators zu haben. Einige Windkraftanlagen verwenden jedoch andere Techniken, um diesen Vorgang durchzuführen.
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Der vom Rotor angetriebene elektrische Generator wandelt mechanische Energie in Elektrizität um.
Dieser Windkraftanlagentyp kann eine sehr variable Leistung erzeugen, die je nach den örtlichen Wind- und Wetterbedingungen zwischen einigen kW und 5–6 MW liegen kann.
Herkömmliche Windkraftanlagen haben fast ausnahmslos eine horizontale Drehachse.
Die Rotorblätter dieser Art von Windkraftanlagen bestehen aus Holz oder Polyester oder mit Glasfaser verstärktem Epoxidharz.
Windgenerator mit vertikaler Achse
Dieser Windmühlentyp zeichnet sich dadurch aus, dass er weniger bewegliche Teile in seiner Struktur aufweist. Diese Einfachheit verleiht ihm eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen starke Windböen und die Möglichkeit, jede Windrichtung auszunutzen, ohne sich ständig orientieren zu müssen.
Windkraftanlagen mit vertikaler Achse sind sehr vielseitige Maschinen. Diese Maschinen können sowohl für den Hausgebrauch als auch zur zentralen Stromerzeugung in der Größenordnung von Megawatt eingesetzt werden. Eine einzelne Turbine deckt durchschnittlich den Strombedarf von etwa 1.000 Haushalten.
Der wesentliche Unterschied zu Turbinen mit horizontaler Achse besteht in der starken Drehmomentschwankung der Rotorblätter während der Rotation. Diese Variation führt zu großer Ermüdung und Bruchgefahr.
Maximale und minimale Betriebsgeschwindigkeit
Die Bandbreite der Windgeschwindigkeiten liegt im Mittel zwischen 4 und 22 m/s.
Alle Windkraftanlagen benötigen zum Drehen eine Mindestwindgeschwindigkeit (Schnitt) von 3 bis 5 m/s. Bei einer Geschwindigkeit von 12 bis 14 m/s kann bereits elektrische Energie abgegeben werden.
Bei sehr starken Winden von 20–25 m/s hingegen blockiert das Bremssystem aus Sicherheitsgründen die Windkraftanlage. Die Blockierung kann durch Bremsen erfolgen, die den Rotor blockieren, oder durch Drehen der Rotorblätter, um die Aerodynamik so zu verändern, dass der Wind sie nicht antreiben kann.