Windenergie & Technik
B: Was ist eine Windenergieanlage?
A: Eine Windenergieanlage wandelt die Bewegungsenergie des Windes über Rotorblätter, Welle und Generator in elektrische Energie um.
F1: Welche Achsentypen gibt es bei Windkraftanlagen?
A: Horizontalachse (HAWT) und Vertikalachse (VAWT).
F2: Vorteil von Horizontalachsen-WEA (HAWT)?
A: Hoher Wirkungsgrad, geeignet für große Anlagen.
FRAGE: Was ist der Unterschied zwischen Horizontalläufer und Vertikalläufer?
ANTWORT: Horizontalläufer: Achse waagerecht, muss dem Wind nachgeführt werden, hoher Wirkungsgrad. Vertikalläufer: Achse senkrecht, windrichtungsunabhängig, geringerer Wirkungsgrad.
FRAGE: Nenne 2 Vorteile und 2 Nachteile des Horizontalläufers.
ANTWORT: Vorteile: Windrichtungsunabhängig, Generator am Boden leicht wartbar. Nachteile: Geringerer Wirkungsgrad, weniger verbreitet.
FRAGE: Was ist ein Schnellläufer?
ANTWORT: Wenige Blätter (1–3), λ > 3, hohe Drehzahl, geringes Drehmoment. Nutzt das Auftriebsprinzip. Einsatz: Stromerzeugung.
FRAGE: Was ist ein Langsamläufer?
ANTWORT: Viele Blätter, λ < 3, niedrige Drehzahl, hohes Drehmoment. Nutzt das Widerstandsprinzip. Einsatz: Pumpen, Mahlen.
FRAGE: Nenne je ein Beispiel für einen Schnell- und einen Langsamläufer.
ANTWORT: Schnellläufer: Moderne 3-Blatt-Windkraftanlage. Langsamläufer: Amerikanische Windmühle (Windrose).
FRAGE: Was ist die Azimutverstellung?
ANTWORT: Die Gondel wird so gedreht, dass der Rotor immer genau in die Windrichtung zeigt. Nur beim Horizontalläufer nötig.
FRAGE: Nenne zwei Beispiele für Vertikalläufer.
ANTWORT: Savonius-Rotor (Widerstandsprinzip) und Darrieus-Rotor (Auftriebsprinzip).
FRAGE: Was besagt das Betz-Gesetz?
ANTWORT: Maximal 59,3 % (= 16/27) der Windenergie kann genutzt werden. Der Rest muss den Rotor verlassen, damit der Wind weiterströmen kann.
FRAGE: Warum kann man nicht 100 % der Windenergie nutzen?
ANTWORT: Weil der Wind nach dem Rotor noch Restgeschwindigkeit braucht, um abzufließen. Sonst würde er sich vor dem Rotor aufstauen und nicht mehr hindurchströmen.
FRAGE: Wie lautet die Formel für die Windleistung?
ANTWORT: P = ½ · ρ · π · r² · v³
FRAGE: Was passiert mit der Leistung, wenn die Windgeschwindigkeit verdoppelt wird?
ANTWORT: Die Leistung wird 8-mal so groß, weil P ~ v³ → 2³ = 8.
FRAGE: Was passiert mit der Leistung, wenn der Rotorradius verdoppelt wird?
ANTWORT: Die Leistung wird 4-mal so groß, weil P ~ r² → 2² = 4.
FRAGE: Wie lautet die Formel für die kinetische Energie des Windes?
ANTWORT: cP = PN / PW (Nutzleistung des Rotors geteilt durch Windleistung gesamt). Maximum nach Betz: cP ≤ 16/27 ≈ 0,593. Reale Anlagen: cP ≈ 0,4–0,5.
FRAGE: Wie berechnet man die Masse der Luft, die durch den Rotor strömt?
ANTWORT: m = ρ · V = ρ · π · r² · v · t
FRAGE: Wie hängen Leistung und Energie zusammen?
ANTWORT: P = E / t. Leistung ist Energie pro Zeit. Einheit Leistung: Watt (W), Energie: Joule (J).
FRAGE: Wie lautet die Formel für die Rotorfläche?
ANTWORT: A = π · r²
FRAGE: Wie lautet die Formel für das Volumen des Windstroms?
ANTWORT: V = A · l = π · r² · v · t
FRAGE: Wie lautet die Formel für die Masse?
ANTWORT: m = ρ · V (ρ = Luftdichte ≈ 1,25 kg/m³, V = Volumen in m³)
FRAGE: Erkläre das Widerstandsprinzip.
ANTWORT: Der Wind drückt direkt auf die Blattfläche wie auf ein Segel. Das Blatt wird mitgenommen. Blattspitze kann NIE schneller als der Wind sein (λ ≤ 1). Geringer Wirkungsgrad, hohes Drehmoment. Beispiel: Savonius-Rotor.
FRAGE: Erkläre das Auftriebsprinzip (Bernoulli-Prinzip).
ANTWORT: Das Blatt hat ein Flügelprofil. Luft strömt schneller über die gewölbte Seite → Unterdruck. Langsamer unter der flachen Seite → Überdruck. Druckunterschied erzeugt Auftrieb → dreht den Rotor. Blattspitze kann schneller als der Wind sein (λ > 1).
FRAGE: Was besagt das Bernoulli-Prinzip?
ANTWORT: Je schneller eine Strömung, desto geringer der Druck. Schnellere Strömung = Unterdruck. Langsamere Strömung = Überdruck.
FRAGE: Was ist der Unterschied zwischen Widerstands- und Auftriebsprinzip bei der Schnelllaufzahl?
ANTWORT: Widerstandsprinzip: λ ≤ 1 (Blattspitze nie schneller als Wind). Auftriebsprinzip: λ > 1 (Blattspitze kann viel schneller als Wind sein).
FRAGE: Welches Prinzip hat den höheren Wirkungsgrad und warum?
ANTWORT: Das Auftriebsprinzip, weil die Druckkraft senkrecht zur Strömung wirkt und die Blattspitze auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden kann. Deshalb nutzen alle modernen Windkraftanlagen das Auftriebsprinzip.
FRAGE: Welche zwei Achsenausrichtungen gibt es und was ist der Unterschied?
ANTWORT: Horizontalausrichtung: Achse waagerecht, Rotor muss dem Wind nachgeführt werden, hoher Wirkungsgrad. Vertikalausrichtung: Achse senkrecht, windrichtungsunabhängig, Generator am Boden.
FRAGE: Wo befindet sich der Generator beim Horizontal- und beim Vertikalläufer?
ANTWORT: Horizontalläufer: Generator oben in der Gondel (schwer zugänglich). Vertikalläufer: Generator am Boden (leicht wartbar).
FRAGE: Welcher Typ hat den höheren Wirkungsgrad?
ANTWORT: Der Horizontalläufer. Deshalb werden fast alle großen modernen Windkraftanlagen als Horizontalläufer gebaut.
FRAGE: Wie lautet die Formel für die Schnelllaufzahl λ?
ANTWORT: λ = u / v = (2π · n · r) / v (u = Blattspitzengeschwindigkeit, v = Windgeschwindigkeit, n = Drehzahl, r = Rotorradius)
FRAGE: Was bedeutet λ = 7?
ANTWORT: Die Blattspitze ist 7-mal schneller als der Wind. Beispiel: Wind = 10 m/s → Blattspitze = 70 m/s.
FRAGE: Wie lautet die Formel für die Drehzahl n?
ANTWORT: n = u / U = u / (2π · r)
FRAGE: Wie lautet die Formel für den Kreisumfang?
ANTWORT: U = 2 · π · r
FRAGE: Wie berechnet man die Blattspitzengeschwindigkeit u?
ANTWORT: u = λ · v = 2π · n · r
FRAGE: Welche typische Schnelllaufzahl hat eine moderne 3-Blatt-Windkraftanlage?
ANTWORT: λ ≈ 6 bis 8.
FRAGE: Wie lautet die Formel für das Drehmoment?
ANTWORT: M = F · s (M = Drehmoment in Nm, F = Kraft in N, s = Hebelarm in m)
FRAGE: Was ist der Hebelarm?
ANTWORT: Der senkrechte Abstand zwischen der angreifenden Kraft und der Drehachse. Je länger der Hebelarm, desto größer das Drehmoment bei gleicher Kraft.
FRAGE: Wie lautet das Hebelgesetz?
ANTWORT: F₁ · s₁ = F₂ · s₂. Gleichgewicht am Hebel: Das Drehmoment auf beiden Seiten ist gleich groß.
FRAGE: Rechenbeispiel Drehmoment: F = 200 N, s = 3 m. Wie groß ist M?
ANTWORT: M = F · s = 200 N · 3 m = 600 Nm
FRAGE: Rechenbeispiel Hebelgesetz: F₁ = 50 N, s₁ = 4 m, s₂ = 2 m. Wie groß ist F₂?
ANTWORT: F₁ · s₁ = F₂ · s₂ → 50 · 4 = F₂ · 2 → F₂ = 200 / 2 = 100 N
FRAGE: Nenne drei Alltagsbeispiele für das Hebelgesetz.
ANTWORT: Wippe, Schraubenschlüssel, Kran, Türklinke, Nussknacker.
FRAGE: Warum braucht ein Langsamläufer ein hohes Drehmoment?
ANTWORT: Weil er z.B. Pumpen oder Mahlwerke antreiben muss, die große Kräfte bei niedriger Drehzahl benötigen.
FRAGE: Welche zwei Hauptgruppen von Pumpen gibt es?
ANTWORT: 1. Verdrängerpumpen (Kolbenpumpe, Zahnradpumpe, Peristaltikpumpe). 2. Kreiselpumpen.
FRAGE: Wie funktioniert eine Kolbenpumpe?
ANTWORT: Ein Kolben bewegt sich hin und her. Beim Rückzug: Unterdruck → Flüssigkeit wird angesaugt (Einlassventil öffnet). Beim Vorwärtshub: Flüssigkeit wird herausgedrückt (Auslassventil öffnet). Ergebnis: Konstanter Volumenstrom, hohe Drücke möglich.
FRAGE: Wie funktioniert eine Zahnradpumpe?
ANTWORT: Zwei ineinandergreifende Zahnräder drehen sich. Flüssigkeit wird in den Zahnlücken vom Eingang zum Ausgang transportiert. Beim Eingreifen der Zähne wird die Flüssigkeit herausgedrückt.
FRAGE: Wie funktioniert eine Peristaltikpumpe?
ANTWORT: Rotierende Rollen quetschen einen flexiblen Schlauch wellenförmig zusammen. Die Quetschbewegung drückt die Flüssigkeit vorwärts. Vorteil: Flüssigkeit berührt nur den Schlauch – sehr hygienisch (Einsatz in Medizin, Chemie).
FRAGE: Wie funktioniert eine Kreiselpumpe?
ANTWORT: Ein Laufrad dreht sich schnell. Zentrifugalkraft schleudert Flüssigkeit von der Mitte nach außen → Unterdruck in der Mitte saugt Flüssigkeit an, Überdruck außen fördert sie weiter. Großer Volumenstrom, geeignet für Wasser und niedrigviskose Flüssigkeiten.
FRAGE: Was ist der Hauptunterschied zwischen Verdrängerpumpe und Kreiselpumpe?
ANTWORT: Verdrängerpumpe: Flüssigkeit wird mechanisch eingeschlossen und verdrängt. Konstanter Volumenstrom, hohe Drücke. Kreiselpumpe: Flüssigkeit wird durch Zentrifugalkraft gefördert. Großer Volumenstrom, aber weniger für sehr hohe Drücke geeignet.
FRAGE: Wo werden Kreiselpumpen typischerweise eingesetzt?
ANTWORT: Wasserversorgung, Heizungsanlagen, Kläranlagen, Industrie – überall wo große Flüssigkeitsmengen bei niedrigem bis mittlerem Druck gefördert werden.
FRAGE: Welche Pumpentypen gehören zu den Verdrängerpumpen?
ANTWORT: Kolbenpumpe, Zahnradpumpe, Peristaltikpumpe (Schlauchpumpe).
Was ist ein vertikal laüfer
Frage: Was bedeutet m und welche Einheit hat es?
Antwort: m = Masse, Einheit: Kilogramm (kg)
Frage: Was bedeutet ρ (rho) und welche Einheit hat es?
Antwort: ρ = Dichte, Einheit: kg/m³
Frage: Was bedeutet V und welche Einheit hat es?
Antwort: V = Volumen, Einheit: Kubikmeter (m³)
Frage: Was bedeutet A und welche Einheit hat es?
Antwort: A = Fläche, Einheit: Quadratmeter (m²)
Frage: Was bedeutet r und welche Einheit hat es?
Antwort: r = Radius, Einheit: Meter (m)
Frage: Was bedeutet l und welche Einheit hat es?
Antwort: l = Länge / Strecke, Einheit: Meter (m)
Frage: Was bedeutet v und welche Einheit hat es?
Antwort: v = Geschwindigkeit, Einheit: Meter pro Sekunde (m/s)
Frage: Was bedeutet t und welche Einheit hat es?
Antwort: t = Zeit, Einheit: Sekunde (s)
Frage: Was bedeutet E und welche Einheit hat es?
Antwort: E = Energie, Einheit: Joule (J)
Frage: Was bedeutet P und welche Einheit hat es?
Antwort: P = Leistung, Einheit: Watt (W)
Frage: Was bedeutet λ (Lambda)?
Antwort: λ = Schnelllaufzahl (hat keine Einheit)
Frage: Was bedeutet u und welche Einheit hat es?
Antwort: u = Geschwindigkeit der Blattspitzen, Einheit: m/s
Frage: Was bedeutet n?
Antwort: n = Drehzahl, Einheit: 1/s (Umdrehungen pro Sekunde)
Frage: Was bedeutet U und welche Einheit hat es?
Antwort: U = Kreisumfang, Einheit: Meter (m)
Frage: Was bedeutet cₚ?
Antwort: cₚ = Rotorleistungsbeiwert (keine Einheit)
Frage: Was bedeutet Pₙ und welche Einheit hat es?
Antwort: Pₙ = Nutzleistung des Rotors, Einheit: Watt (W)
Frage: Was bedeutet Pᵥ und welche Einheit hat es?
Antwort: Pᵥ = Energiefluss des Windes, Einheit: Watt (W)
Frage: Was bedeutet M und welche Einheit hat es?
Antwort: M = Drehmoment, Einheit: Newtonmeter (Nm)
Frage: Was bedeutet F und welche Einheit hat es?
Antwort: F = Kraft, Einheit: Newton (N)
Frage: Was bedeutet s und welche Einheit hat es?
Antwort: s = Hebelarm / Strecke, Einheit: Meter (m)
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