Windturbinen nutzen die kinetische Energie des Windes, der die Rotorblätter (die auch als Klingen oder Schaufeln bezeichnet werden) der Turbine antreibt und eine Hauptwelle in Bewegung setzt. Die Klingen werden mit Muttern an einer zentralen Nabe befestigt, die durch die Bewegung der Rotorblätter zu rotieren beginnt. Mit dieser Nabe wird eine sog. Hauptwelle oder Rotorwelle verbunden, die folglich mit der gleichen Drehzahl rotiert wie die Nabe. Dementsprechend dreht sich die Hauptwelle sehr langsam, z.B. mit 15 oder 20 Umdrehungen pro Minute. Denn eine Windkraftanlage rotiert nicht schnell, sondern erreicht den besten Wirkungsgrad bei sanfter und gleichmäßiger Rotation, bei Windgeschwindigkeiten um die 40 km/h bis 50 km/h.
Doch die meisten Generatoren benötigen hohe Drehzahlen (zwischen 900 und 2.000 Umdrehungen pro Minute), um kinetische Kraft in elektrische Energie umzuwandeln und ein entsprechendes Spannungsniveau, sowie die übliche Netzfrequenz (50 Hz oder 60 Hz) zu erreichen. Hier kommt das Getriebe ins Spiel. Das Getriebe verbindet die Hauptwelle mit einer Hochgeschwindigkeitswelle, welche schließlich den Generator antreibt. Die ursprünglich niedrige Drehzahl wird also vervielfacht. Zur Berechnung wird hier das Übersetzungsverhältnis herangezogen, welches bei großen Anlagen meistens 1:100 beträgt. Aus den 20 Umdrehungen pro Minute der Hauptwelle werden also 2.000 Umdrehungen pro Minute für die Hochgeschwindigkeitswelle.
Es gibt also verschiedenste Faktoren, welche die Menge gewonnener Energie und die Effizienz einer Windkraftanlage beeinflussen. Doch ohne Wind bzw. eine entsprechende Windgeschwindigkeit läuft gar nichts.
Die drei wichtigste Aspekte sind deshalb:
- Windgeschwindigkeit
- Luftdichte
- Blattdurchmesser
Essenziell ist natürlich, dass Windkraftanlagen dort errichtet werden, wo regelmäßig Wind weht. Doch eine weitere Optimierung der verbauten Komponenten, die automatisierte und datengetriebene Ausrichtung der Gondel, des Rotors und der Rotorblätter und der Einschalt- und Ausschaltgeschwindigkeit der Turbinen ermöglichen Windkraftanlagen auch dort, wo diese vielleicht vor einigen Jahren noch nicht effizient genug gewesen wären.
Faktor 1: Die Windgeschwindigkeit
Selbsterklärend hat die Windgeschwindigkeit einen großen Einfluss auf die erzeugte Menge an Windenergie und die dafür benötigte Zeit. Je stärker bzw. höher die Windgeschwindigkeit, desto schneller drehen sich die Rotorblätter und erzeugen umso mehr mechanische Energie, die durch den angeschlossenen Generator in elektrische Energie umgewandelt wird.
Jedoch sollten die Turbinen generell nur in einer bestimmten Range von Windgeschwindigkeiten funktionieren bzw. aktiviert werden. Während bei zu niedrigen Windgeschwindigkeiten die Produktion nicht effektiv bzw. generell nicht möglich ist, können zu hohe Windgeschwindigkeiten Schäden am Generator verursachen. Zwei Punkte grenzen diese Breite an zulässigen Windgeschwindigkeiten ein: Der sog. Cut-in speed (Einschaltgeschwindigkeit) und Cut-out speed (Ausschaltgeschwindigkeit). Die maximal zulässige Windgeschwindigkeit für den Betrieb liegt derzeit bei etwa 25 m/s (Meter pro Sekunde, entspricht also etwa 90 km/h), also einem beginnenden Sturm. Gierantrieb, YAW- und Pitch-Control und weitere Maßnahmen ermöglichen eine leichte Verschiebung dieser Werte bzw. Kurve, um den Wirkungsgrad weiter zu optimieren. Die größte Windkraftanlage der Welt, deren Prototyp V236-15.0 MW aktuell von Vestas im dänischen Østerild gebaut wird, ermöglicht sogar einen Cut-out speed von 30 m/s.
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