06 07 Windkraft

• Achsausrichtung

  • Horizontal

  • Vertikal

• Antriebsprinzip

  • Auftriebskonverter

  • Widerstandsprinzip (nur Savonius-Rotor)

• Flügelanzahl (1-3)

Vorteile:

• günstigere Herstellung (weniger Flügel)

• geringes Rotorgewicht

• höhere Rotorfrequenz (geringeres Drehmoment, geringerer Materialaufwand für Getriebe und Generator)

• größere Anlagen möglich, da Materialkonzentration

• weniger Flügel

Nachteile:

• größere Randwirbelverluste

• hohe Geräuschemissionen (aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit)

-> Potenzial für Off-Shore-Anwendungen

Vorteile:

• höherer theoretischer Wirkungsgrad (nimmt mit der Anzahl der Flügel zu)

• geringere Geräuschemissionen

• Schwingungsdynamik einfacher beherrschbar (geringere Wechsellasten)

• erprobte Technik

Nachteile:

• höhere Material- und Fertigungskosten

• aufwendige Montage bei Off-Shore-Anlagen

Vorteile:

• keine Windrichtungsnachführung notwendig

• keine Blattverstellung notwendig

• Getriebe und Generator können am Boden installiert werden

• Blatt nach Prinzip der Kettenlinie geformt (nur Zugspannungen, keine Biegemomente)

Nachteile:

• höhere Anlaufgeschwindigkeit (4 – 5 m/s)

• kein automatischer Anlauf (Motor notwendig)

• geringere Wirkungsgrade (Leistungsbeiwerte bis 40 %)

• anfällig für Schwingungen

Vorteile:

• weder Windrichtungsnachführung noch Blattverstellung notwendig

• Getriebe und Generator können am Boden installiert werden

• automatischer Anlauf (daher oft zum Antrieb von Darrieus-Rotoren verwendet)

• geringe Anlaufgeschwindigkeit (ab 2 m/s)

Nachteile:

• geringe Leistung

• hoher Materialbedarf (Schaufelgröße)

• maximaler Leistungsbeiwert 𝑐𝑃,max = 16/27 = 59,3 %

• Das Gesetz besagt, dass eine Windkraftanlage maximal 16/27 (Betz-Faktor) der mechanischen Leistung, die der Wind ohne den bremsenden Rotor durch dessen Projektionsfläche transportieren würde, in Nutzleistung umwandeln kann.

• wichtige aerodynamische Auslegungsgröße

• Langsamläufer: 1 <λ < 3

  Schnellläufer: λ > 5

Etwa 45 % der kinetischen Energie des Windes kann ins Stromnetz eingespeist werden:

• Aufgrund von Reibungsverlusten ist bei 𝒗 < 𝒗𝑬 keine Leistungsabgabe möglich

• 𝑣𝐸 < 𝑣 < 𝑣𝑁: dem Wind wird die jeweils maximale Leistung entzogen

• 𝒗𝑵 < 𝒗 < 𝒗𝑨: die WKA gibt eine konstante Leistung ab

• 𝒗 > 𝒗𝑨: die WKA wird abgeschaltet

• Stall-Regelung

  Strömungsabriss

• Pitch-Regelung

  Rotorblätter in Fahnenposition (aus dem Wind drehen)

Mit Getriebe:

• Standard Generator kann eingesetzt werden

• Kleinere Gondelmassen

• Höhere Drehzahlen des Triebstrangs

• Höherer Wartungsaufwand

• Getriebe fallen bis zu 2–3-mal in der Lebenszeit aus, dadurch höhere Kosten

• Ölwechsel notwendig

• Ggf. Umweltverunreinigung durch Ölverlust

• Typen: Stirnrad- + Planetengetriebe

Ohne Getriebe:

• Höhere Investitionen

• Größeres Gewicht, dadurch höhere Lasten

• Geringe Drehzahl des Generators

• Hohe Verfügbarkeit

• Geringer Wartungsaufwand (für Offshore-Anlagen interessant)

Kurzschlussläufer (Käfigläufer):

• Feste Drehzahl und mehrstufiges Getriebe (starrer Betriebszustand), aber kostengünstig

• Hohe mechanische Belastungen

Schleifringläufer (Doppelt-gespeist):

• mit extern zugänglichen Wicklungen über Schleifringe

• Drehzahlvariabel mit einem Läufer-Umrichter (ca. 60 – 110 % der Nenn-Drehzahl)

• Wartungsaufwand durch Schleifringe höher

Drehen sich mit dem Netz in exakter Synchronität

(via Umrichter eine feste Frequenz)

Fremderregte Synchrongeneratoren (Magnetfeld des Läufers durch eine separate Gleichstrom-Erregung)

• Wartungsaufwand, aber Magnetfeld steuerbar (netzdienlicher Betrieb)

Permanentmagneterregte Synchrongeneratoren (Magnetfeld durch Dauermagnete)

• Hohe Leistungsdichte und wartungsarm, aber kostenaufwendiger

• Mechanische Belastungen

• Witterung und Standort

• Betriebsstrategie

• Wartung & Instandhaltung

• Technologie & Designqualität

• Der Schubbeiwert 𝑐𝑡 (Thrust Coefficient) ist eine charakteristische Größe der Rotorblätter und wird maßgeblich durch deren Geometrie bestimmt

• bei guten Anlagen in Größenordnung ≈ 0,7

• 5-facher Rotordurchmesser in Hauptwindrichtung

• 3-facher Rotordurchmesser in Nebenwindrichtung

• Höhere Windgeschwindigkeit

• Höhere Anzahl Volllaststunden

• Weniger Turbulenz

• Höheres Platzangebot als an Land

• Höhere Akzeptanz

• Großes Ausbaupotential

• Große Entfernung zur Küste (> 30 km)

• Aufwändige Fundamente (Wassertiefen > 30 m)

• Rauere Umweltbedingungen (Salzwasser, Wellen, Stürme)

• Zugänglichkeit und Logistik (Schiff, Helikopter)

• Finanzierbarkeit großer Windparks (mehrere 100 Mio. €)

• Schutz von Flora und Fauna

Ersatz alter Anlagen durch moderne, effizientere Anlagen