Windkraftanlagen

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.