Wie funktioniert eine Windturbine

Abhängig von den verfügbaren Windressourcen kann eine Turbine die Stromrechnung um 50–90 % senken, dabei helfen, hohe Kosten für die Verlegung von Stromleitungen an abgelegene Orte zu vermeiden, Stromausfälle verhindern und vor allem – sie ist umweltfreundlich.

In diesem Artikel lernen wir die Grundlagen der Windkraftanlagen – ihre Typen, Größen, Effizienz, Vor- und Nachteile, Funktionsweise, Installation, Wartung sowie die Schleifringe kennen. Jedes Kapitel enthält eine Beschreibung von Studien und eine umfassende Analyse der diskutierten Themen.

Windkraftanlagen erfordern eine stabile Übertragung von Energie und Datensignalen von der Gondel bis zur Steuerung der Rotorblätter. Schleifringe gewährleisten die Leistung und Zuverlässigkeit, die in rauen Umgebungsbedingungen erforderlich sind.

Kostspielige Ausfallzeiten von Windkraftanlagen können durch die Verwendung von Faserbürsten und langlebigen Materialien in der Konstruktion der Schleifringe begrenzt werden.

Vorteile von Schleifringen:

• Sie können bei verschiedenen Temperaturen arbeiten
• Sie zeichnen sich durch hohe Zuverlässigkeit aus
• Sie erfordern keine regelmäßigen Überprüfungen
• Sie benötigen keine Schmierung
• Sie erzeugen minimale Verunreinigungen durch Verschleiß

Was ist eine Windkraftanlage?

Windkraftanlagen sind eine moderne Modifikation traditioneller Windmühlen, die im 19. Jahrhundert populär waren. Ihr Ziel ist es, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren und Energie auf erneuerbare und umweltfreundliche Weise zu erzeugen.

Fakten über Windkraftanlagen

Windkraftanlagen nutzen die kinetische Energie des Windes, die die Blätter bewegt und einen Motor dreht, der die kinetische Energie in mechanische und dann in elektrische Energie umwandelt.

Vereinfacht gesagt – die Turbine funktioniert umgekehrt wie ein Ventilator: Anstatt Strom zur Bewegung der Luft zu verwenden, nutzt sie Wind zur Stromerzeugung.

Anwendungen von Windkraftanlagen

Seit Jahrhunderten nutzen Menschen die Kraft des Windes – von Windmühlen in Holland bis hin zu Ranches in den USA, wo sie zum Pumpen von Wasser und Mahlen von Getreide dienten. Heute produziert ihre moderne Form – die Windkraftanlage – elektrische Energie.

Turbinen werden auf Türmen gebaut, um mehr kinetische Energie einzufangen. In einer Höhe von 30 Metern ist der Wind stärker und stabiler. Typischerweise hat eine Turbine 2–3 Blätter, die den Rotor bilden.

Die Blätter wirken wie Flugzeugflügel – die Druckdifferenz über und unter ihnen erzeugt eine Drehbewegung, die den Generator antreibt.

Turbinen können eigenständig (off-grid) arbeiten oder an das Stromnetz angeschlossen werden. In industriellen Anwendungen werden ganze Windparks gebaut, die Energie in das Netz einspeisen.

Erneuerbare Energie aus Wind

Windenergie ist eine der am schnellsten wachsenden erneuerbaren Quellen. Weltweit stieg ihre installierte Leistung von 7,5 GW im Jahr 1977 auf 574 GW im Jahr 2018.

In den Jahren 2009–2013 verdoppelte sich die Stromerzeugung aus Wind, und im Jahr 2016 machte sie 16 % der gesamten erneuerbaren Energie aus.

Moderne Turbinen erreichen eine Leistung von 2 MW (an Land) bis zu 5–8 MW (auf See).

Faktoren, die die Stromerzeugung aus Wind beeinflussen

Die wichtigsten Faktoren:

• Windgeschwindigkeit,
• Luftdichte,
• Durchmesser der Blätter.

Höhere Windgeschwindigkeit = mehr Energie. Zu starker Wind kann jedoch die Turbine beschädigen, weshalb Grenzgeschwindigkeiten (cut-in und cut-out) verwendet werden.

Dichtere Luft (kälter, unter höherem Druck) führt zu einer höheren Effizienz.

Größere Blätter fangen mehr Energie ein, erfordern aber mehr Platz und stärkere Winde.

Was passiert, wenn kein Wind weht?

Turbinen produzieren nur dann Energie, wenn Wind weht. Wenn der Wind nachlässt, wird Energie aus anderen Quellen geliefert – z. B. Gas oder Wasser. Es gibt keine Energiequelle, die ununterbrochen funktioniert – selbst Kernkraftwerke fallen manchmal aus. Deshalb arbeitet Windenergie am besten mit Wasserkraft zusammen.

Hauptteile einer Windkraftanlage

• Fundament – verbindet den Turm mit dem Untergrund, meist aus Stahlbeton.
• Turm – der größte und schwerste Teil (50–150 m hoch). Je höher, desto besser die Windverhältnisse.
• Rotor – sammelt die Windenergie und überträgt sie auf das Antriebssystem.
• Gondel (nacelle) – enthält das Getriebe, die Welle und den Generator. Dreht sich, um die Turbine in Windrichtung auszurichten.

Das Innere einer Windkraftanlage

• Anemometer – misst die Windgeschwindigkeit.
• Blätter – bewegen sich durch den Wind.
• Bremsen – stoppen den Rotor im Falle einer Störung.
• Steuerung – schaltet die Turbine in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit ein und aus.
• Getriebe (gearbox) – erhöht die Drehzahl von 30–60 U/min auf 1000–1800 U/min.
• Generator – erzeugt elektrische Energie.
• Welle mit niedriger und hoher Geschwindigkeit – überträgt die Leistung von den Blättern zum Generator.
• Gier-System (yaw) – richtet die Turbine in Windrichtung aus.

Typen, Größen und Effizienz von Windkraftanlagen

Turbinentypen

Horizontale Achse (Horizontal Axis Turbines) – die häufigsten, Blätter zeigen in Windrichtung.

• Landgestützt (On-shore)
• Offshore (Off-shore)
• Küstennahe (Near-shore)

Vertikale Achse (Vertical Axis Turbines) – vertikale Blätter, alle Elemente nahe am Boden.

• Darrieus (Eggbeater)
• Giromill
• Savonius
• Twisted Savonius

Ummantelte Turbinen (Ducted Turbines) – montiert an Gebäudekanten, nutzen den Luftstrom entlang der Wände.

Turbinengrößen

Windkraftanlagen können hinsichtlich Leistung, Rotordurchmesser und Turmhöhe in drei Hauptgruppen unterteilt werden:

Hausturbinen haben eine Leistung von bis zu etwa 20–50 kW, einen Rotordurchmesser von 1 bis 15 Metern und eine Turmhöhe im Bereich von 15–40 Metern. Sie werden hauptsächlich in Haushalten, landwirtschaftlichen Betrieben oder kleinen Dienstleistungseinrichtungen eingesetzt, wo sie einen erheblichen Teil des Strombedarfs decken können.

Turbinen mittlerer Leistung erreichen 50 kW bis 1 MW, mit einem Rotordurchmesser von 15–50 Metern und einer Turmhöhe von 30–80 Metern. Sie werden in kleinen Windparks, Industrieanlagen und in Gebieten mit moderaten Windressourcen eingesetzt.

Kommerzielle Turbinen zeichnen sich durch eine Leistung von 1 MW bis über 10 MW, einen Rotordurchmesser zwischen 80 und 180 Metern und eine Turmhöhe von bis zu 150 Metern aus. Solche Einheiten werden in großen Windparks — sowohl landgestützt (onshore) als auch offshore — eingesetzt, die für die Energieerzeugung im industriellen Maßstab bestimmt und direkt an das Stromnetz angeschlossen sind.

Effizienz der Turbinen

Effizienz ist das Verhältnis der gewonnenen Energie zur verfügbaren Energie. Das theoretische Maximum ist die Betz-Grenze – 59,3 %, in der Praxis erreichen Turbinen etwa 80 % dieses Limits.

Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen

Vorteile horizontaler Turbinen

• Stabilität durch die Position des Schwerpunkts
• Möglichkeit der Blattverstellung (Pitch-Control)
• Hohe Türme – Zugang zu stabilen Winden

Nachteile

• Hohe Transport- und Montagekosten
• Schwierige Wartung
• Radarsignale werden gestört

Vorteile vertikaler Turbinen

• Kostengünstig in der Wartung
• Einfach zu montieren
• Müssen nicht in Windrichtung ausgerichtet werden

Nachteile

• Geringere Effizienz
• Schwieriger Start
• Funktionieren nur bei starkem Wind

Vorteile ummantelter Turbinen

• Geringe visuelle Beeinträchtigung
• Montage auf Dächern
• Energieerzeugung vor Ort

Nachteile

• Nur für hohe Gebäude
• Erfordern präzise Voruntersuchungen

Wie Windkraftanlagen funktionieren

1.Der Wind bewegt die Blätter.

2.Die Blätter treiben die Welle und das Getriebe an.

3.Das Getriebe erhöht die Drehzahl.

4.Der Generator wandelt mechanische in elektrische Energie um.

5.Anemometer und Windfahne überwachen die Bedingungen.

6.Das Gier-System richtet die Turbine in Windrichtung aus.

7.Die Energie gelangt zum Transformator und dann in das Netz.

Installation von Windkraftanlagen

Installationsschritte:

1. Vorbereitung des Fundaments

2. Ausheben von Kabelgräben

3. Bau des Turms und Montage der Turbine

4. Verkabelung und Anschluss des Wechselrichters

5. Netzanbindung

6. Abschließende Tests und Inbetriebnahme

Wartung von Turbinen

Regelmäßiges Schmieren verlängert die Lebensdauer der Komponenten.

Moderne automatische Schmiersysteme reduzieren Kosten und das Risiko von Ausfällen.

Zukunft der Windkraftanlagen

Windenergie ist eine der vielversprechendsten Quellen zur Reduzierung der CO₂-Emissionen.

Besonders dynamisch entwickelt sich die Energie aus Offshore-Turbinen.

Es werden Forschungen zu kleinen, tragbaren Turbinen für Haushalte durchgeführt.

Zusammenfassung

Windenergie ist eine saubere und erneuerbare Quelle, die dank moderner Technologie und sinkender Kosten an Popularität gewinnt.

Trotz einiger Herausforderungen (z. B. Vogelkollisionen, Lärm, visuelle Beeinträchtigung) können Innovationen wie blattlose Turbinen diese überwinden.

Elemente wie Schleifringe spielen eine Schlüsselrolle für den zuverlässigen Betrieb von Windkraftanlagen, und ihre richtige Auswahl beeinflusst die Haltbarkeit und Effizienz des gesamten Systems erheblich.