Windanlagen

Grundlagen, Arbeitsprinzip

Grundsätzliches zu Windkraftanlagen:

nach dem Betz’schen Gesetz (Deutscher Physiker Albert Betz -1885–1968) lässt sich maximal 16/27 (59%) der in der Luftmasse enthaltenen Wind-Energie, die den Rotor durchströmt, in Nutzleistung umwandeln.
Den Anteil dieser Leistung, die eine Windkraftanlage dem Wind entnimmt, nennt man Leistungsbeiwert.

Eine “ideale” Windkraftanlage hätte einen Leistungsbeiwert von 0,59 (=16/27, sie entnimmt also 59% der im Wind enthaltenen Energie).

Man unterscheidet nach aerodynamischer Art Auftriebsläufer und Widerstandsläufer.

Auftriebsläufer haben Flügel mit dem typischen Tragflächenprofil (Flugzeug) und funktionieren so wie ein Segelschiff, das hart am Wind segelt. Durch den Auftriebseffekt bewegt sich das Rotorblatt schneller als der Wind weht.
Eine bedeutende Kennzahl ist die Schnelllaufzahl (=Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zur Windgeschwindigkeit).
Die Schnelllaufzahlen üblicher Windkraftanlagen zeigt nebenstehende Graphik.
Reale Auftriebsläufer erreichen heute bei Schnelllaufzahlen von ca. 8 die besten Leistungsbeiwerte von bis zu 0,52 (= 52%) .
Eine Schnelllaufzahl von 8 bedeutet, dass bei Windgeschwindigkeiten von 50 km/h die Rotorspitze 400 km/h erreicht!
Daraus resultieren bekannte Probleme: Geräusche, Vibrationen und aufwändige Sicherheitseinrichtungen gegen Überlast bei Sturm.

Widerstandsläufer nutzen den Widerstand, den ein Körper dem Wind entgegenstellt. Sie sind Langsamläufer, die Schnelllaufzahl ist immer kleiner als 1 – sie drehen sich langsamer als der Wind. Der maximale Leistungsbeiwert heutiger Widerstandsläufern beträgt jedoch nur 0,19. Sie sind in der Regel technisch einfach aufgebaut, geräuscharm, unempfindlich gegen turbulente Strömung und überlastsicher.: