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Windkraftanlagen

Windkraftanlagen, die du sicherlich schon oft gesehen hast, erzeugen nachhaltigen Strom, sobald die Windgeschwindigkeit über 8 km/h liegt. Sie sind recht einfach aufgebaut, hauptsächlich besteht eine Windkraftanlage aus einer Gondel und einem Rotor. Mit ihrer Hilfe wird die Bewegungsenergie des Windes in Strom umgewandelt. Aber wie genau funktioniert das eigentlich? Welche Vorteile bietet die Nutzung von Windkraftanlagen und welche Herausforderungen gibt es? Diese und viele andere spannende Fragen werden im folgenden Text beantwortet! Neugierig geworden? Dann lies doch einfach weiter!

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Wie funktioniert die Erzeugung von Strom mithilfe einer Windkraftanlage?

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Windkraftanlagen
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Grundlagen zum Thema Windkraftanlagen

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 8 kmh\pu{8 \frac{km}{h}} nachhaltigen Strom zu produzieren. Der Wirkungsgrad einer solchen Windkraftanlage beträgt, abhängig von der Art der Windkraftanlage, 3045%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.

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Häufig gestellte Fragen zum Thema Windkraftanlagen

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

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