Geschichte der Windenergie-Nutzung – Der Wind

Übersicht über die regenerativen Energiequellen
Was ist Wind?
Windmessung
Theorie des Windes
Rotorblätter
Herstellung von Rotorblättern

Übersicht über die regenerativen Energiequellen

Übersicht regenerative Energiequellen: regenerative Energiequellen lassen sich nach der Ursache einteilen, zum Isotopenzerfall im Inneren der Erde gehört die Geothermie, zur Strahlung aus dem Weltraum gehören die meisten Energieformen wie Wind, Sonne, Wellen usw., zur Planetenbewegung gehört die Energie aus Gezeiten, andererseits lassen sich die Energiequellen in Energieformen (thermische/elektrische/chemische) einteilen, natürlich kann Windenergie auch in Wärmeenergie umgewandelt werden, es gab sogar einen Anlagentyp, der genau das gemacht hat, aber das ist mit Verlusten behaftet, daher sollte gewonnene Energie möglichst spät in die gewünschte Energieform umgewandelt werden

Was ist Wind?

Wind: Wind ist jede Luftbewegung relativ zum Erdboden, auf der Erde gibt es sowohl globale Austauschvorgänge großer Luftmassen als auch kleingliedrige, räumliche, turbulente Wirbelfelder, die beiden Bewegungstypen liegen übereinander und sind durch eine große Grenzschicht voneinander getrennt, atmosphärische Luft ist Gemisch aus Gasen und Wasser in allen drei Aggregatzuständen, Wärmeaufnahme/-abgabe verursacht oder verhindert Luftbewegung

globale Luftmassenbewegungen: jede Halbkugel der Erde unterteilt sich in fünf Zonen, polare Ostwinde, Westwinde, Rossbreiten, Nordost-/Südostpassat, Kalmenzone

antitriptische Winde: Land-/Seewinde und Berg-/Talwinde sind antitriptische Winde (durch Reibung entstehend), tagsüber heizt sich der Boden schneller auf als das Meer, dadurch steigt die Luft über dem Boden auf und vom Meer strömt Luft nach (Seewind), weiter oben schließt sich der Kreislauf durch umgekehrte Bewegung, nachts ist es andersherum (Meer kühlt langsamer ab als der Boden), daher Landwind, Berg-/Talwinde entstehen auf ähnliche Weise

Windmessung

Beaufort-Skala: wurde 1806 erfunden, erst Anfang des 20. Jh. mit 12 Stufen eingeführt

Schalenkreuz-Anemometer: primitiver Windmesser mit drei Schalen und misst den Weg, den der Wind zurückgelegt hat, für die Geschwindigkeit muss man noch durch eine Zeitspanne teilen, moderne Windmesser messen nicht nur den Wind, sondern klassifizieren ihn auch automatisch in einem Histogramm mit dem Anteil der Zeit über die Windgeschwindigkeit

Diagramme: in der globalen Windverteilung (Jahresmittel) ist der Wind an den Küsten und auf Bergen stärker (über 5 m/s im Jahresmittel), im Inneren von Kontinenten kaum Wind, Isoventen sind Linien gleicher Windgeschwindigkeit, verschiedene Diagramme möglich (Jahresgang, Tagesgang, Windprofile über der Höhe)

Näherungsformel zur Berechnung der Windgeschwindigkeit in der Höhe:
$\bar{v_{H}} = \bar{v_{10}} \cdot {(\frac{H}{10})}^{a}$ in m/s mit $\bar{v_{10}}$ der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe in m/s und $H$ der Höhe in m, $a = 0.16$ über dem Meer, $a = 0.28$ über dem Dorf, $a = 0.4$ über der Stadt

Windenergieanlagen: optimale Anlage für Baden-Württemberg hat eine Höhe von 140 m und Leistung eine von 4 MW, bei höheren Anlagen lohnt sich die größere Leistung nicht wegen der höheren Kosten für den Bau und die Instandhaltung, bei doppelter Windstärke erbringen Windanlagen die achtfache Leistung

Theorie des Windes

Wind-Theorie: Wind lässt sich durch Lage- und Bewegungsdefinition von Luftteilchen erklären (DGLs), aber aufgrund der schieren Anzahl der Luftteilchen sehr kompliziert

Schnelllaufzahl: dimensionsloses Verhältnis $λ = \frac{u}{v}$ von Umfangsgeschwindigkeit $u$ des Rotors zur Windgeschwindigkeit $v$ , ist von der Drehzahl unabhängig, da z. B. große Rotoren langsamer drehen müssen, um eine bestimmte Umfangsgeschwindigkeit zu erreichen

Leistungsbeiwert: auch Wirkungsgrad, $c_{P}$ ist das Verhältnis aus genutzter Leistung zur nutzbaren Leistung des Winds, bei modernen Anlagen 0,45 bis 0,5

Betz-Limit: 1919 als Betzsches Gesetz formuliert, gibt den maximalen Leistungsbeiwert $c_{P}$ an, den eine Windkraftanlage erreichen kann, Herleitung: Windanlage als „Black Box“, bei der der Wind mit der Geschwindigkeit $v_{FFL}$ eintritt und aus der der Wind mit der Geschwindigkeit $v_{DFW}$ austritt, bei einem Verhältnis von $\frac{v_{DNW}}{v_{FFL}} = \frac{1}{3}$ ist der maximal mögliche Leistungsbeiwert $c_{P}$ am größten, er beträgt dann $c_{P} = \frac{16}{27} \approx 60 %$

Leistung einer freifahrenden Turbine: $P = c_{P} \cdot \frac{ρ}{2} \cdot v_{FFL}^{3} \cdot A_{Φ}$ mit $c_{P}$ dem Leistungsbeiwert, $ρ$ der Luftdichte, $v_{FFL}$ der Geschwindigkeit des einströmenden Winds und $A_{Φ}$ der Rotorfläche, Einfluss der Luftdichte wichtig für Anlagen in größerer Höche (kann sich von 1,2 kg/m³ auf 0,7 kg/m³ absenken) für höhere Leistung sind $c_{P}, ρ, v_{FFL}$ kaum beeinflussbar, d. h. man muss die Rotorfläche $A_{Φ} = \frac{π d^{2}}{4}$ vergrößern, für die doppelte Leistung muss man $d$ nur um den Faktor $\sqrt{2}$ vergrößern (d. h. um ca. 41 % größerer Durchmesser)

Kennlinie: auch $c_{P}$ -Kurve, gibt den Leistungsbeiwert $c_{P}$ über die Schnelllaufzahl $λ$ an, Maximum ist der Auslegungspunkt, bei schwankendem Wind schwankt immer auch die Leistung der Anlage, sollte man vor dem Kauf einer Anlage genau anschauen

Rotorblätter

Anzahl der Blätter: mehr Blätter führen zwar zu höherem $c_{P}$ , aber bei Schnellläufer ( $λ$ zwischen $5$ und $8$ ) ist der Einfluss so gering, dass die Blattzahl unwichtig ist, Einfluss der Gleitzahl (Aerodynamik) ist viel wichtiger, bei Langsamläufer ( $λ$ zwischen $1$ und $3$ ) ist es umgekehrt

Form der Rotorblätter: wählt man „Bretter“ als Rotorblätter, die innen gleich breit wie außen sind, dann ergibt sich ein Verlust von 8,1 %, aber innen müssen die Blätter breiter sein, da dort die Umlaufgeschwindigkeit geringer ist, wenn man das berücksichtigt, kommt man auf Verluste von 1,5 % oder 0,2 %

Windmühlen: haben vier Flügel, zum einen, weil sie Langsamläufer sind (da sind mehr Blätter besser), zum anderen, weil das einfacher zu bauen war (durchgängige Baumstämme), schlechter $c_{P}$ -Wert von anfangs 0,2, da Blätter nur ebene Platten, durch die Verwendung von gewölbten Flügeln erreicht man Werte zwischen 0,3 und 0,35

Flügelform StGW: NACA-Profile, 30 % dick

Belastung von Flügeln: starke Durchbiegung bei Rotorblättern (mehrere Meter)

Herstellung von Rotorblättern

moderne Leichtbau-Fasern: Kevlar, Kohle, Glas

Torusflansch: fasergerechte Krafteinleitung

verschiedene Bauarten für kleine Anlagen bis 10 m Durchmesser:
Segeltuch-Tragfläche, Holz-Tragfläche, Blech-Bauweise, Honigwaben-Struktur, Schaum usw.

Growian-Rotorblatt: Probleme, weil sich unterschiedliche Materialen (Glasfaser und Stahl) nicht vertragen haben, haben zu Rissen in der Struktur geführt

moderne Blattherstellung: manuelles Hineinlegen von Faser-Tapes (in Harz getränkte Fasern) in eine Negativ-Form, zwei Teile mit verschiedenen anderen Teilen ( $Ω$ -Holm) zusammensetzen, sonst hohl

Loch durch Fasern: durch Fasern dürfen nicht einfach Löcher gebohrt werden, dies ist keine fasergerechte Bauweise und macht das System instabil, z. B. gab es schon Unfälle aufgrund Luftverwirbelungen hinter startenden Flugzeugen, stattdessen Fasern um das Loch herum leiten