Windkraft

Referat Physik Windkraft
Inhaltsverzeichnis
1. Was ist überhaupt Wind?
2. Was sind Windkraftwerke?
3. Zusammensetzung der Windkraftanlagen
4. Techniken
5. Windkraftanlagen
5.1. Horizontal laufende Windräder
5.2. Schnellläufer
5.3. Langsamläufer
5.4. Darrieus- Rotoren
5.5. Die verschiedenen Arten von Windmühlen und Windräder
6.Ökologische Aspekte der Windkraftnutzung
7.Standorte
7.1 Kosten
Was ist überhaupt Wind?
Luftbewegungen in der freien Natur werden als Wind bezeichnet. Wind entsteht durch den Druckausgleich zwischen Gebieten mit hohem Luftdruck und Gebieten mit niedrigem Luftdruck.
Was sind Windkraftwerke?
Windkraftwerke sind Anlagen, die elektrische Energie erzeugen. Durch den Wind werden die Rotoren, die in den Windkraftanlagen eingebaut sind, zum Drehen gebracht, dadurch wird elektrischer Strom erzeugt. Windenergie entsteht nicht aus Kohle, Gas, Öl oder Kraftwerken, sondern soll den Verbrauch dieser Energieträger ersetzen oder senken, um die Vorräte zu schonen und zur Entlastung der Umwelt beizutragen.
Zusammensetzung der Windkraftanlagen:
Mast
Die Masten sind in der Regel 10m bis 100m hoch, mit zunehmender Höhe steigt nicht nur der Energieertrag, sondern auch die Errichtungskosten. Die Masten werden aus Stahl oder Beton errichtet und dienen der Aufnahme von Gondel, Rotor, Getriebe und Generator.
Gondel
Die Gondel bildet Grundrahmen, Träger und Verkleidung zur Aufnahme und Befestigung von Getriebe und Generator.
Rotorblätter
Die Form der Rotorblätter ist den Flugzeugtrageflächen sehr ähnlich, sie sind auch nach aerodynamischen Gesichtspunkten gestaltet. Im Gegensatz zu früheren Windrädern entsteht die Drehung nicht nur nach dem einfachen Widerstandsprinzip, sondern durch aerodynamisch erzeugte Auftriebskräfte, die an den Rotorblättern wirken. Die Anzahl der Rotorblätter ist für den Energieertrag unwichtig. Je weniger Blätter eingesetzt werden, um so höher ist die Drehzahl der Anlage. Zur Mitte hin sind Rotorblätter meist als Holmverbindungen ohne aktive Fläche gebaut, da das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand nach innen deutlich ungünstiger wird. Die neueren Rotorblätter werden aus Glasfasern oder Kohlefasern hergestellt.
Getriebe
Das Getriebe sorgt für die Übersetzung der Rotordrehzahl auf den Generator.
Rotorwelle
Rotorwelle ist die Verbindung zwischen Rotor und Getriebe.
Generator
Hier wird die mechanische Energie in Elektrizität etc. umgewandelt.
Steuerfahnen
Durch die Steuerfahne wird der Winkel zwischen Gondel und Rotor automatisch nach der Windrichtung eingestellt.
Techniken: Im Laufe der Zeit haben sich verschiedene Techniken in der Herstellung von Windrädern entwickeln können. Es gibt 1. die vertikal laufenden Windräder und
2. die horizontal laufenden Windräder. Die vertikalen Windräder stehen senkrecht zum Wind und sind abhängig von der Windrichtung. Die Drehbewegung wird auf Generatoren oder auf Arbeitsmaschinen, wie z.B. Pumpen übertragen. Dagegen sind die horizontal laufenden Windräder unabhängig von der Windrichtung, sie arbeiten auch, wenn der Wind von hinten kommt. Dadurch wird zwar der Bau vereinfacht, weil man nicht die Anlagen in die Windrichtung drehen muss, hat aber den Nachteil, dass die Angriffsfläche hier kleiner ist als bei Windrädern mit senkrechter Drehachse. Eine weitere Technik ist der Darrieus – Rotor. Die Form der Rotorenblätter gleichen einem Zwiebelring. Auch dieser Rotor arbeitet unabhängig von der Windrichtung. Er kann den Wind auch schon in geringer Höhe auffangen und muss deshalb nicht auf einem hohen Mast angebracht werden. Diese Art der Windkraftanlage wird heute in Westeuropa nicht mehr genutzt, dient aber immer noch der Energieerzeugung in Entwicklungsländern.
Horizontal laufende Windräder:
Für die Betriebsweise moderner Horizontalachsenkonverter gibt es zwei Möglichkeiten: Als Leeläufer oder als Luvläufer. Bei den Leeläufern drehen sich die Rotorblätter in Windrichtung hinter dem Turm. Das hat den Vorteil, dass die Rotorblätter bei starkem Wind nicht gegen den Turm gedrückt werden können. Bei den Luvläufern kann man dieses Risiko nicht ganz ausschließen, da der Rotor von vorn angeblasen wird und vor dem Turm läuft.
Leeläufer haben auch den Vorteil, dass sie sich selbstständig in Windrichtung ausrichten, während Luvläufer durch technische Maßnahmen dem Wind nachgeführt werden müssen. Ein Nachteil der Leeläufer ist, dass der Turm einen Windschatten erzeugt, wodurch Leistungseinbußen entstehen. Außerdem führt die sich sprunghaft verändernde Strömung im Turmschatten ständig zu stoßartigen Belastungswechseln der Rotorblätter. Um Schäden zu vermeiden, sind daher an der Blattaufhängung besondere Maßnahmen erforderlich.
Langsamläufer:
Die Langsamläufer sind Windkonverter einfacher Bauart. Sie haben meistens viele, im Querschnitt etwas schwächere Flügel. Die Flügel addieren sich zu einer großen Flügelfläche und eine solche hat ein sehr großes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass schon ein relativ leichter Wind genügt, um es in Gang zu bringen. Dieses Windrad ist für niedrige Drehzahlen gebaut, deshalb wird es eher für langsame Antriebe, wie Pumpen etc. verwendet. Im Mittelmeerraum werden diese Anlagen noch häufig eingesetzt. Für die Stromerzeugung ist diese Anlage aber nicht zu gebrauchen, da ein Generator mindestens 800- 3000 Umdrehungen pro Minute benötig, um Strom zu erzeugen.
Diese Anlage hat einen Wirkungsgrad von etwa 20- 30%.
Schnellläufer:
Zwei bis vier aerodynamische Flügel zeichnen diesen Typen aus. Somit ergibt sich eine kleine Flügelfläche und dadurch ein geringes Anlaufmoment. Das bedeutet, dass ein etwas stärkerer Wind zum Anlauf benötigt wird. Die Schnellläufer erzeugen hohe Drehzahlen und sind deshalb für die Stromerzeugung geeignet. Je weniger Flügel man verwendet und desto schmaler das Profil des Flügels ist, desto größer wird die Drehzahl und somit die Leistung des Generators. In Praxis werden oft Windräder mit zwei Flügeln verwendet, da sie um einiges leichter zu bauen sind. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt bei 30- 50%.
Darrieus- Rotoren:
Diese Windräder sehen aus wie Zwiebelschalen. Aus welcher Richtung der Wind kommt ist bei dieser Anlage egal. Die Rotoren haben den Vorteil, dass sie nicht in einer bestimmten Höhe montiert werden müssen, denn sie funktionieren auch in Bodenhöhe. In Westeuropa gilt dieser Rotor als veraltet und wird kaum mehr genutzt. In den Entwicklungsländern spielt diese Anlage aber noch eine wichtige Rolle bei der Energieerzeugung.
Die verschiedenen Arten von Windmühlen und Windräder Radwindmühle, Thermikturm, Paltrockwind – mühle, Schalenkreuz, Savonius – Rotor, Erd – Holländerwindmühle, Galerie – Holländerwindmühle, Split – Savonius – Rotor,
Berwian, Einblattrotor, Zweiblattrotor, Dreiblattrotor, Farmer – Rotor, Tjasker, Bockwindmühle, Köcherwindmühle,,La Cour – Rotor, Flettner – Rotor, Pneumatische Welle, Schleppturbine, Giromill, Kettenlinien – Darrieus – Rotor, H – Darrieus – Rotor, Mantelturbine, Tornadoturm
Ökologische Aspekte der Windkraftnutzung
Die Windkraftanlagen sind : CO2-frei: Es entsteht bei der Nutzung kein Kohlendioxid.
Emissionsfrei: Beim Betrieb der Anlage fallen keine Schadstoffe an (wie Stickoxide, Schwefeloxide, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ozon, Staub, Schwermetalle etc.).
Strahlungsfrei: Die Elektrizität aus Windkraftwerken hilft, den Import von Atomstrom zu senken!
insgesamt pro kWh
11.112.900 kg bzw. -7,1 g Schwefeldioxid
4.850.000 kg bzw. – 2,8 g Stickoxid
2.020.400.000 kg bzw. -1114 g Kohlendioxid
272.000 kg bzw. -0,18 g Staub
390.870 kg bzw. -0,9 g Kohlenmonoxid
4.660 kg bzw. – 3,1 mg Atommüll
Kritikpunkte
• Geräusche – viele Menschen, die in der Nachbarschaft von Windenergieanlagen wohnen, fühlen sich durch die Geräusche, die die Rotorenblätter beim Drehen verursachen, gestört.
• Verbauung der Landschaft – durch die Größe der Windenergieanlagen wird eine relativ große Fläche benötigt. Die Fläche um die Türme kann landwirtschaftlich genutzt werden, man muß sich jedoch erst an den Anblick der großen Türme gewöhnen.
• Beeinträchtigungen im Windschatten der Anlagen – es kommt vor, dass z.B. das Fernsehbild bei Empfängern, die im Windschatten der Windenergieanlagen stehen, flackern. Außerdem weiß man auch noch nicht, inwiefern Veränderungen durch den ständigen Austausch der Luftschichten eintreten können.
Standorte
Den richtigen Standort für Windräder zu finden, ist äußerst schwierig. Es dürfen keine Bäume beziehungsweise Häuser oder andere Hindernisse in der unmittelbaren Nähe sein. Von diesen Hindernissen werden Luftwirbel erzeugt, die die Windkraftanlage stören. Am geplanten Standort sollte das ganze Jahr über eine Mindestdurchschnittsluftgeschwindigkeit von etwa 4 – 10 m/s herrschen, damit das Windrad auch immer befriedigend laufen kann. Als nächstes ist darauf zu achten, dass das Windrad nicht in der Nähe eines bewohnten Hauses gebaut wird. Diese Windräder können nämlich Lärm verursachen, der ungefähr 50 Dezibel erreicht. Gute Standorte sind in Amerika gefunden worden. Man errichtete dort gleich riesige Windparks, um damit Strom erzeugen. Wenn man ein kleines Windrad zu Hause einrichten will, sollte man es nicht am Dach montieren. Das Windrad erzeugt Schwingungen, die unter anderem den Dachgiebel zerstören können, aber bei einer bestimmten Frequenz, nämlich der Eigenfrequenz des Hauses, dieses zum Einstürzen bringen kann.
Kosten
Anlagen- und Installationskosten: zwischen 1 und 2 Mio. €
Jährliche Wartungskosten: 6.500 €
Handout
– Windkraftanlagen um Windenergie in elektrischen Strom umzuwandeln – D.h. kinetische Energie in elektrische umgewandelt – Bei horizontaler Rotorachse zwei Möglichkeiten – Bei Leeläufer befinden sich Rotorblätter auf Windabgeneigter Seite des Turms – Vorteil: benötigen keine Vorrichtungen zur aktiven Windrichtungsnachführung – Nachteil: nicht konstante Stromerzeugung – Blätter befinden sich Windzugeneigter Seite des Turms – Vorteil: Konstante Leistung – Bei Anlagen mit horizontal laufender Achse ist an einem Achsenende ein mehrblättriger
Rotor installiert, der über Getriebe mit elektrischem Generator verbunden ist
( alles in Gondel) – Durch Wind wird Rotor in Bewegung gesetzt – Rotorbewegung wird durch Getriebe auf Generator übertragen – Dort Umwandlung von Rotationsenergie in elek. Energie – 10 m bis 100 m hoch – Blätter bestehen aus Faserverstärktem Kunststoff – Max. Leistung 500 kW (Wind) – Ist nur Effektiv, wenn min. Wind von 5 m/s weht – Deshalb oft Küstenbereich – Um soviel wie möglich Energie zu gewinnen wird Rotor mit PC in Wind gedreht – Bei zu großer Windstärke, ab Windstarke 10, wird zum Schutz vor mechanischer
Überlastung der Rotor gebremst, stillgesetzt oder aus Wind gedreht – Pro: viel Arbeitsplätze , Windenergie ist regenerierbar – Contra: sehr laut , Windkraftanlagen sind teuer
Quellen:
Mitwirkende: Linda Jorkisch, Carolin Golin, Julia Karth
Klasse 10a der Realschule Wahlstedt

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