Windkraft

Die unteren 10% der planetarischen Grenzschicht werden Prandtl-Schicht genannt. Hier dominiert die Bodenreibung.

• Turbulente Strömung

• 0-10% der planetarischen Grenzschicht,

• Höhe: einigen 10 bis maximal ca. 100m

• Windprofil f(thermische Schichtung, Bodenrauigkeit),

• Logarithmischer Geschwindigkeitsverlauf,

• Obergrenze v=70-80% des geostrophischen Windes .

D

Mit zunehmendem Abstand vom Boden wird der Einfluss der Corioliskraft spürbar. Angrenzend an die Prandtl-Schicht wird deshalb eine weitere Schicht unterschieden, die sog. Ekman-Schicht. Sie beginnt in einer Höhe von ca. 100 m Höhe und reicht bis etwa 1000 m Höhe, d.h. bis an die Obergrenze der atmosphärischen Grenzschicht.

• Geringe Turbulenz,

• Obergrenze 500-2’000m Mittelwert 1’000m,

• Windrichtung dreht mit der höhe,

• Untergrenze = 30° gedreht zu Isobaren,

• Obergrenze = 0° gedreht zu Isobaren,

• Obergrenze v=100% des geostrophischen Windes.

Sie ist also proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit! Das bedeutet, dass sich die doppelter Windgeschwindigkeit die Leistung verachtfacht. Demnach kann nicht von der mittleren Windgeschwindigkeit direkt auf den Energieertrag geschlossen werden. Es muss vielmehr die zeitliche Geschwindigkeitsverteilung berücksichtigt werden.

Betz kam zu dem Ergebnis, dass, wenn die Windgeschwindigkeit nach der Rotorebene nur noch 1/3 der Geschwindigkeit vor der Rotorebene beträgt, eine optimale Leistungsentnahme möglich ist. Bei diesem Verhältnis ist der aerodynamische Wirkungsgrad, der Leistungsbeiwert cP = 16/27 ≈ 0,59. Somit kann maximal 59 % der im Wind vorhandenen Leistung durch eine ideale Windturbine entnommen werden. Dieser Leistungsbeiwert gilt allerdings nur für Auftriebsläufer.

Auch Widerstandsläufer entnehmen dem Wind Leistung. Bei ihnen liegt der maximale Leistungsbeiwert bei einem deutlich geringeren Wert von 0,19.

Das Widerstandsprinzip beschreibt die Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie durch Ausnutzung des Strömungswiderstandes der Luft, auch Luftwiderstand genannt.

Widerstandsläufer nutzen das Widerstandsprinzip, um ihre im Wind stehenden Rotoren durch die Widerstandskraft in Rotation zu versetzen.

Der Luftwiderstand wird durch eine Fläche oder einen Körper hervorgerufen, die sich quer zur Strömungsrichtung des Windes befindet. Bei Windkraftanlagen sind dies die Rotoren. Abbildung 1 zeigt beispielsweise die resultierende, auf die Fläche A wirkende, Widerstandskraft Fw. Hervorgerufen durch die Strömung ist die Widerstandskraft abhängig von der Geometrie des Körpers, beschrieben durch den Widerstandsbeiwert Cw, die Luftdichte, die Größe der Fläche und die Windgeschwindigkeit. Bei Windkraftanlagen wird als Bezugsfläche die Flügelfläche gewählt.

Bei modernen Windenergieanlagen werden die Rotorblätter durch das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs bewegt. Wenn der Wind auf ein Rotorblatt trifft, so wird Luft oberhalb und unterhalb des Blattes entlanggeführt. Die Strömung wird nach unten umgelenkt. Dabei entsteht oberhalb des Blattes ein Unterdruck (Saugseite) und unterhalb des Blattes ein Überdruck (Druckseite). Durch diese Druckdifferenz wird eine Auftriebskraft FA erzeugt, die definitionsgemäß immer senkrecht zur Anströmung steht und die das Rotorblatt antreibt und somit den Rotor in Drehung versetzt.