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Windkraftanlagen

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Zusammenfassung

Windturbinenanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes bei Geschwindigkeiten von \(\textit{c}=4\,\mathrm{m/s}\) bis 25 m/s in Nabenhöhe des Windrades zur Stromerzeugung. Die oben genannten Windgeschwindigkeiten liegen im Grenzschichtbereich der ebenen Strömung (Abb. 67.1), die bei Höhen von \(\textit{h}=100\) m bis 1000 m liegen und in Großstädten mit Skylines bis 2000 m. Die größten Windturbinentürme erreichen gegenwärtig Nabenhöhen von \(\textit{h}=160\) m und Windraddurchmesser von \(\textit{d}=130\) m, d. h. mit Flügellängen von \(\textit{L}=65\) m. Die Windturbinen werden vorrangig mit 3 Schaufeln ausgeführt. Windturbinen mit einer und zwei Schaufeln waren Versuchsgeräte. Die Drehzahl von Windturbinen für Leistungen von \(P_{\text{T}}=2\) MW betragen \(\textit{n}=12\) bis 20 min\({}^{\hbox{-}1}\). Das Windrad entzieht dem Wind mit der Anströmgeschwindigkeit c 1 nach Betz die Geschwindigkeitsdifferenz \(c_{2}=(2/3)\,\textit{c}_{1}\). Der Rest der Windgeschwindigkeit wird für die Abströmung des Windes im Leebereich \(c_{3}=\textit{c}_{1}/3\) benötigt. Durch den Entzug der Geschwindigkeit im Laufrad bläht sich der Abströmdurchmesser auf \(d_{3}> \textit{d}_{1}\) auf, der bei der Installation von Windturbinen zu beachten ist (Abb. 67.2) [Gasch und Twele(2013)]. Um die Windturbinen bei starkem Wind von c \({}_{1}> 25\) m/s zu schützen, werden die Laufschaufeln durch Pitch- oder Stall-Anlagen aus dem Wind gedreht, so dass die Strömung an den Schaufeln abreißt und das Windrad in die Ruhestellung gelangt. Bei der Windgeschwindigkeit \(c_{1}=25\) m/s bis 34 m/s wird der Windrotor abgeschaltet. Die zulässige Maximalgeschwindigkeit liegt aus Festigkeitsgründen etwa bei . Die aktive Blattverdrehung (Pitchregelung) stellt eine Blattwinkelregelung dar, wobei die Profilnase in die Anströmung gedreht wird. Sie benötigen für die Drehzahlreduzierung keine mechanische Bremse.

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Surek, D. (2017). Windkraftanlagen. In: Böge, A., Böge, W. (eds) Handbuch Maschinenbau. Springer Vieweg, Wiesbaden. https://doi.org/10.1007/978-3-658-12529-5_67

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