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Windkraftanlagen

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Team Realfilm
Windkraftanlagen
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Grundlagen zum Thema Windkraftanlagen

Inhalt

Windkraftanlagen

Wenn du schon einmal mit deiner Familie mit dem Auto oder dem Zug in den Urlaub gefahren bist, wirst du sicherlich schon eine Vielzahl von Windrädern gesehen haben. Sie werden dazu genutzt, um ab einer Windgeschwindigkeit vor mehr als $\pu{8 \frac{km}{h}}$ nachhaltigen Strom zu produzieren. Der Wirkungsgrad einer solchen Windkraftanlage beträgt, abhängig von der Art der Windkraftanlage, $30-45\,\%$. Doch wie wird der Strom in einer Windkraftanlage eigentlich erzeugt?

Windkraftanlagen – Aufbau

Bevor wir uns anschauen, wie genau ein Windrad funktioniert, sollten wir uns zuerst den Aufbau genauer ansehen. Windkraftanlagen sind im Grunde recht einfach aufgebaut (schaue dir dazu auch die Abbildung an). Sie setzen sich aus einem Rotor, der Gondel und einem Turm zusammen.
Beginnen wir mit dem Turm: Dieser wird dafür benötigt, eine gewisse Höhe über dem Erdboden zu erreichen. Weit über dem Boden wird der Wind nicht mehr so stark durch Bäume oder Ähnliches versperrt und weht dort stärker.
Um den Wind zur Stromerzeugung nutzen zu können, ist es notwendig, die kinetische Energie (Bewegungsenergie) des Windes in eine mechanische Bewegung zu überführen. Dies wird mithilfe des Rotors erreicht. Der Rotor selbst besteht aus einer Rotornabe, die die Drehachse des Rotors darstellt, sowie den Rotorblättern. Die Rotorblätter können weiterhin mittels der Rotorverstellung gegen den Wind angekippt werden, um bei zu starkem Wind eine Überlastung des Windrads zu vermeiden. Sollte sich das Windrad dennoch zu schnell drehen oder soll es für Wartungen angehalten werden, so befindet sich in der Gondel zusätzlich noch eine Bremse, die die Drehung des Rotors stoppen kann.
Weiterhin befinden sich in der Gondel noch der Generator und das Getriebe. Diese Bauteile stellen das eigentliche Herzstück der Anlage dar. Das Getriebe überführt, ausgehend von der Rotornabe, die langsame Rotation des Windrads in eine schnellere Rotation, die im Generator zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Der erzeugte Strom kann anschließend in das Stromnetz eingespeist werden.

Windkraftanlage Aufbau mit Beschriftung

Windkraftanlagen – Funktionsweise

Nachdem du nun den Aufbau von Windkraftanlagen kennengelernt hast, soll im Folgenden auf eine einfache Art erklärt werden, wie die Erzeugung von Strom mithilfe einer Windkraftanlage funktioniert.

Triff Wind auf die Rotorblätter, so führt deren Bauform dazu, dass die auftreffende Luft hauptsächlich an einer Seite des Rotorblatts vorbeiströmt. Dies bewirkt, dass eine Nettokraft in die entgegengesetzte Richtung auf das Rotorblatt ausgeübt wird. Da alle Rotorblätter gleich ausgerichtet und nur an der Rotornabe befestigt sind, beginnt sich der gesamte Rotor zu drehen. Der Rotor dreht sich jedoch recht langsam. Um die mechanische Rotation zur Stromerzeugung nutzen zu können, ist es von Vorteil, die langsame Rotation über ein Getriebe in eine schnellere Rotation umzuwandeln. Das Getriebe erfüllt dabei im Grunde die gleiche Funktion wie die Gangschaltung an deinem Fahrrad, ist jedoch etwas komplizierter aufgebaut. Die von dem Getriebe ausgehende schnelle Rotation kann dann mithilfe einer Welle (eine sich drehende Stange) zu einem Generator übertragen werden. Der Generator kann nun wie dein Fahrraddynamo die Energie aus der Rotation in elektrische Energie umwandeln. Der vom Windkraftwerk erzeugte Strom kann nun über einen Netzanschluss in das Stromnetz eingespeist werden.

Windkraftanlagen – Vor- und Nachteile

Ein sehr wichtiger Vorteil von Windkraftanlagen ist, dass sie im Gegensatz zu Verbrennungskraftwerken im Betrieb sehr umweltfreundlich sind, da sie keine Abgase ausstoßen oder radioaktive Abfälle produzieren. Weiterhin sind sie im Betrieb sehr kostengünstig und es ist möglich, Windkraftanlagen unter Umständen auch nachts zur Stromgewinnung zu nutzen.

Die Nutzung von Windkraftanlagen bringt jedoch auch einige Nachteile mit sich. So ist es zum Beispiel notwendig, genug Wind in einer Region zu haben, um Windkraftanlagen überhaupt wirtschaftlich betreiben zu können, da die Produktion von Windkraftanlagen sehr teuer ist. Gleichzeitig gehen von den Rotorblättern, aufgrund der vorbeiströmenden Luft, Geräusche aus, die eine Lärmbelastung für Anwohnende darstellen. Des Weiteren wird auch die Natur in einem ungeklärten Maße durch Windräder beeinflusst. So kann es zum Beispiel vorkommen, dass Raubvögel mit den Rotorblättern zusammenstoßen und auch der Einfluss der Geräusche beim Bau von Windkraftanlagen im Meer auf Wale und Delfine ist bisher nicht vollständig verstanden. Seit einiger Zeit wird jedoch daran gearbeitet, die Nachteile immer weiter zu reduzieren (siehe Probleme der Windkraftanlagen), damit uns die Windenergie auch in Zukunft eine nachhaltige Alternative der Stromversorgung bieten kann.

Windkraftanlagen – Zusammenfassung

In diesem Video hast du auf eine einfache Weise erklärt bekommen, was eine Windkraftanlage ist und was für Vor- und Nachteile die Nutzung von Windrädern mit sich bringt. Des Weiteren wurde dir mithilfe einer beschrifteten Skizze der Aufbau einer Windkraftanlage zusammen mit ihrer Funktionsweise näher erläutert.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Windkraftanlagen

Wie ist ein Windrad aufgebaut?
Wie wird Strom in einer Windkraftanlage erzeugt?
Was haben Windkraftanlagen für Vorteile?
Was haben Windkraftanlagen für Nachteile?

Transkript Windkraftanlagen

Die Sonne erwärmt die Erdatmosphäre ungleichmäßig. Durch die große Hitze am Äquator steigen riesige Warmluftsäulen nach oben. Durch die nachströmende Kaltluft entsteht ein globaler Windkreislauf. Die Windkraft wird schon seit Jahrhunderten als Energiequelle genutzt: um Segelschiffe anzutreiben und um in traditionellen Windmühlen Wasser zu pumpen und Korn zu mahlen. Heute ermöglicht moderne Technik die Nutzung der Windenergie in großem Maße zur Stromproduktion. Windräder wandeln die nahezu unerschöpfliche und umweltfreundliche Windenergie in elektrische Energie um. Die kinetische Energie oder Bewegungsenergie des Windes treibt die Rotorblätter des Windrades an. Durch ein Getriebe wird die langsame Drehbewegung der Rotoren in eine schnelle Rotationsbewegung umgewandelt. Diese erhöhte Drehzahl reicht zum Betrieb eines Stromgenerators aus. Je größer der Rotordurchmesser, umso mehr elektrische Energie wird erzeugt. Windräder können ab Windgeschwindigkeiten von 8 km pro Stunde Strom produzieren. Oft werden viele Windräder in Windparks gruppiert. Der Bau von Windrädern ist teuer, aber ihr laufender Betrieb sehr kostengünstig. Zur Zeit ist der Anteil der Windkraft an der gesamten Stromversorgung sehr gering. Aber warum nutzen wir sie nicht mehr? Wind ist eine unberechenbare Kraft. Er weht nicht immer. Außerdem gibt es Gegenden, in denen es kaum Wind gibt und die daher ungeeignet sind. Windräder gelten als laut und hässlich. Sie ruinieren die Landschaft und stören die Tierwelt. Mit Off-Shore Windparks lassen sich einige dieser Probleme lösen, aber ihr Bau ist sehr viel teurer. Es ist unwahrscheinlich, dass die Windenergie unseren gesamten Energiebedarf jemals decken kann. Aber als saubere und erneuerbare Energiequelle kann die Windkraft eine immer wichtigere Rolle in einer künftigen nachhaltigen Energieversorgung spielen.

Windkraftanlagen Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Windkraftanlagen kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Windkraft.

    Tipps

    Fledermäuse oder Vögel können die großen Flügel der Windkraftanlagen leider oft nicht gut erkennen.

    Der Mensch nutzt die Windkraft auch zur Fortbewegung mit einem Segelschiff.

    Lösung

    Wind entsteht, wenn die Sonne die Erdatmosphäre an unterschiedlichen Orten unterschiedlich stark aufwärmt, indem ihre Strahlen beispielsweise in einem anderen Winkel auf die Erde treffen. Durch die ungleichmäßige Erwärmung ist auch der Luftdruck an verschiedenen Orten auf der Erde unterschiedlich. Der Wind weht dann, um diesen Druckunterschied auszugleichen.

    Der Mensch nutzt die Windkraft schon seit einigen tausend Jahren zur Fortbewegung mit einem Segelschiff oder zum Mahlen von Korn in einer Windmühle. Vor etwas mehr als 100 Jahren, im Jahr 1887, wurden jedoch die ersten Windkraftanlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie gebaut.

    Heute sind die Windkraftanlagen als erneuerbare Energiequellen sehr wichtig für unsere Stromversorgung. Da sie keine schädlichen Emissionen erzeugen und nur die Kraft des Windes benötigen, gelten sie als sehr sauber und günstig im Betrieb. Ganz unproblematisch sind Windkraftanlagen jedoch leider nicht, denn sie sind gefährlich für Vögel, Fledermäuse und auch Insekten. Auch Menschen fühlen sich durch Windkraftanlagen gestört, beispielsweise durch den Schattenwurf der hohen Türme. Ein weiteres Problem von Windkraftanlagen ist schließlich, dass sie nur dann elektrische Energie liefern können, wenn der Wind weht. Sie können deshalb keine durchgängige Stromversorgung garantieren und müssen durch andere Kraftwerke oder Energiespeicher unterstützt werden.

  • Beschreibe die Stromerzeugung in der Windkraftanlage.

    Tipps

    Ein Generator besteht aus einem Elektromagneten und einem drehbar gelagerten Permanentmagneten.

    Das Getriebe überträgt die Rotation des Rotors auf den Generator.

    Damit eine Windkraftanlage eine konstante Leistung erzeugen kann, muss die Drehgeschwindigkeit des Rotors auch bei wechselnder Windgeschwindigkeit konstant bleiben.

    Lösung

    Wenn sich die schweren Rotorblätter einer Windkraftanlage zu drehen beginnen, überträgt sich ihre Rotation durch ein Getriebe auf einen Generator, der mithilfe eines rotierenden Magneten einen Strom erzeugt und so die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Aufgabe des Getriebes ist es, die langsame Rotation der Rotorblätter in eine schnellere Drehung umzuwandeln, die der Generator nutzen kann. Die Spannung, die der Generator erzeugt, wird schließlich mit einem Transformator an die Spannung des Stromnetzes angepasst und darin eingespeist.

    Mit verschiedenen Messgeräten an der Gondel kann die Windkraftanlage die momentane Windrichtung feststellen. Anschließend dreht die Anlage ihre Gondel automatisch in den Wind, um die größtmögliche Energie zu erzeugen. Zudem kann sie mithilfe der Bremse und der Drehung der Rotorblätter kontrollieren, wie schnell sich der Rotor dreht. So kann die Anlage auch bei wechselnden Windrichtungen eine gleichbleibende Leistung erzeugen und in das Netz einspeisen.

  • Beschreibe die Form des Rotorflügels.

    Tipps

    Die Rotorflügel der Windkraftanlage werden durch die Luftströmung zur Seite bewegt.

    Ein Flugzeugflügel erzeugt durch die Luftströmung eine Auftriebskraft.

    Lösung

    Aufgrund seiner besonderen Form leitet der Rotorflügel eines Windrades den Wind, der ihn umströmt, um und drückt dabei gewissermaßen die einzelnen Luftmoleküle zur Seite. Nach dem zweiten Newtonschen Gesetz üben die Luftmoleküle gleichzeitig eine gleich große Gegenkraft auf den Flügel aus und drücken ihn damit in die andere Richtung. Diese Kraft nennt man dann dynamische Auftriebskraft, da sie durch die Dynamik, also die Bewegung der Luftteilchen, hervorgerufen wird. Die gleiche Kraft drückt auch die Tragflächen eines Flugzeugs nach oben oder die Segel eines Bootes gegen den Wind nach vorne.

    Da die dynamische Auftriebskraft an den Flügeln in einem bestimmten Abstand von der Nabe des Rotors angreift, erzeugt sie ein Drehmoment auf den Rotor und erzeugt damit eine Drehbewegung.

  • Erkläre die Leistungskurve der Windkraftanlage.

    Tipps

    Die Generatoren von Windkraftanlagen sind meist nur für eine bestimmte maximale Nennleistung ausgelegt.

    Die Leistung einer Windkraftanlage ist proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.

    Eine Fahne dreht sich immer so in den Wind, dass der Wind keine oder nur noch eine sehr kleine Angriffsfläche hat.

    Lösung

    Sobald die Windgeschwindigkeit größer wird als die Einschaltgeschwindigkeit der Windkraftanlage, beginnt die Anlage damit, Strom zu erzeugen. Die Leistung der Anlage steigt dann mit der Windgeschwindigkeit, wobei sie sogar proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit ist $(P_{Windkraft}\propto v_{Wind})$. Sobald die Windgeschwindigkeit jedoch die Nenngeschwindigkeit der Anlage erreicht, beginnt die Steuerung der Anlage damit, die Drehung des Rotors und damit auch die Leistung der Anlage konstant zu halten. Der Grund dafür ist, dass der Generator einer Windkraftanlage nur für eine bestimmte maximale Drehgeschwindigkeit ausgelegt ist und überlastet werden könnte, wenn diese überschritten wird. Zudem ist es günstiger für die Kontrolle des Stromnetzes, wenn ein Windrad eine gleichbleibende Leistung erzeugen kann.

    Wird der Wind so stark, dass die Bremsen der Anlage die Drehgeschwindigkeit nicht mehr regeln können, dann erreicht das Windrad seine Abschaltgeschwindigkeit. Die Rotorblätter werden dann so in den Wind gedreht, dass der Wind sie nicht mehr in eine Richtung drückt, sondern einfach umweht. So wirkt kein Drehmoment mehr auf die Nabe des Windrads und es steht still.

  • Nenne, wie die Energieumformung in der Windkraftanlage funktioniert.

    Tipps

    Im Windrad erzeugt ein Generator elektrische Energie mit einem rotierenden Magneten.

    Wind entsteht, wenn das Sonnenlicht die Erdatmosphäre ungleichmäßig erwärmt.

    Die bewegten Luftmoleküle im Wind tragen kinetische Energie.

    Lösung

    Wind entsteht, wenn der Luftdruck an unterschiedlichen Orten auf der Erde unterschiedlich hoch ist. Der Druckunterschied zieht dann die Luftmoleküle von dem Ort mit höherem Luftdruck zu dem Ort mit geringerem Luftdruck und erzeugt so den Wind. Der Grund für unterschiedlichen Luftdruck ist dabei meist das Licht der Sonne, das die Erdatmosphäre nicht an jedem Ort gleich stark erwärmt.

    So erzeugt die Lichtenergie der Sonne den Wind und wandelt sich dabei in die kinetische Energie der einzelnen Luftmoleküle um.

    Die Bewegung des Windes kann nun wiederum den Rotor einer Windkraftanlage antreiben und erzeugt dabei Rotationsenergie, die wiederum den Generator der Windkraftanlage antreibt. Dieser wandelt die Rotationsenergie schließlich in elektrische Energie um.

  • Erkläre die Leistung der Windkraftanlage.

    Tipps

    Die Rotorfläche des Windrades ist ein Kreis, dessen Radius der Länge eines Flügels entspricht. Die Fläche ist $A_{Kreis}=\pi Radius^2$.

    Mit zunehmender Höhe wird die Luft immer dünner.

    Lösung

    Nach der Formel

    $P_{Windkraft}=\dfrac{\rho_{Luft}}{2}\cdot c_{Rotor}\cdot A_{Rotor}\cdot v_{Wind}^3$

    hängt die Leistung einer Windkraftanlage vor allem von der Windgeschwindigkeit $v_{Wind}$ ab. Da die Leistung der Anlage proportional zu $v_{Wind}^3$ ist, könnte eine Windkraftanlage bei der doppelten Windgeschwindigkeit sogar die achtfache Leistung produzieren.

    Windräder können allerdings jeweils nur die Leistung umwandeln, für die ihr Generator ausgelegt ist. Deshalb reduziert eine Windkraftanlage die aufgenommene Leistung, indem sie ihre Rotorblätter etwas ungünstiger zum Wind stellt, oder die Rotation bremst. In der Formel ändert sich dann der Faktor $c_{Rotor}$.

    Um bei gleichem Wind eine höhere Leistung zu erzielen, werden die Rotorblätter von modernen Windkraftanlagen immer weiter vergrößert, da sich damit auch die Wirkungsfläche $A_{Rotor}$ des Rotors vergrößert. $A_{Rotor}$ ist dabei ein Kreis, dessen Fläche nach der Formel $A=\pi r^2$ vom Quadrat der Rotorblatt-Länge abhängt. Ein Windrad mit einem doppelt so langen Rotorflügel liefert also rechnerisch die vierfache Leistung. Und damit doppelt so viel wie zwei kleinere Windräder mit jeweils der halben Flügellänge.

    Da die Dichte der Luft sich mit der Höhe ändert, liefert ein Windrad auf Meereshöhe etwas mehr Leistung als ein Windrad in den Bergen. Dieser Effekt ist allerdings sehr klein und es ist sogar sehr wichtig, besonders hohe Windräder zu bauen, da der Wind in größeren Höhen gleichmäßiger und auch etwas stärker weht als in der Nähe des Erdbodens, wo er bereits von Bäumen oder Gebäuden abgebremst wird.

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