Bild: Windrad ©John/fotolia.com

Windrad

Windkraftanlagen sind die wohl deutlichsten Zeugen einer voranschreitenden Energiewende. Vor allem als Windrad mit horizontaler Achse finden sie sich mittlerweile in ganz Deutschland und sind aufgrund ihrer Höhe auch aus der Ferne gut sichtbar. Werden mehrere Windräder nah beieinander beziehungsweise auf einem größeren Areal gebaut, nennt man diese Ansammlung Windpark.

Die Leistung der Windräder

Die durch ein Windrad erzielte Leistung wächst proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Bei doppelter Windgeschwindigkeit nimmt die Leistung also um das Achtfache zu. Fällt die Geschwindigkeit unter 2 m/s, setzt die Produktion von Windenergie komplett aus. Ist der Wind hingegen zu stark, muss die Anlage zum Schutz vor Beschädigungen abgeschaltet werden. Ein modernes Windrad kann allerdings auch bei sehr hohen Geschwindigkeiten durch eine Effizienzverringerung mit der höchstzulässigen Maximalleistung laufen und muss nur bei Orkanen abgeschaltet werden. Ein großes und modernes Windrad kann eine Leistung von mehreren Megawatt erreichen.

Der Wirkungsgrad der Windräder

Der Wirkungsgrad eines Rotors wird auch als Leistungsbeiwert bezeichnet. Er beschreibt das Verhältnis zwischen der einströmenden Windenergie und der daraus gewonnenen elektrischen Leistung.

Die theoretische Obergrenze des erzielbaren Wirkungsgrades wird durch den Betzschen Leistungsbeiwert angegeben, der bei 59,3 Prozent liegt. Die derzeit effizientesten Windkraftanlagen kommen heute auf Werte von annähernd 50 Prozent. Das bedeutet zugleich aber auch, dass das physikalisch Mögliche schon fast abgeschöpft ist. Weitere Optimierungsmaßnahmen zielen deswegen auch in erster Linie darauf ab, diesen Wirkungsgrad in einem breiteren Spektrum an Windgeschwindigkeiten zu erzielen, was sich durch eine variable Rotordrehzahl erreichen lässt.

Die unterschiedlichen Formen einer Windkraftanlage

Am häufigsten ist hierzulande das Windrad mit einem dreiblättrigen Rotor. Die Flügelprofile der einzelnen Rotorblätter sind aerodynamisch optimiert, um den Wirkungsgrad der Anlage zu verbessern und gleichzeitig die Lärmemissionen zu verringern. Besonders große Windräder kommen auf einen Rotordurchmesser von mehr als 100 Meter bei einem Wirkungsgrad von 50 Prozent und Leistungen von mehreren Megawatt.

Deutlich seltener sind Windkraftanlagen mit vertikalen Drehachsen wie Savonius-Rotoren oder Darrieus-Rotoren. Gegenüber dem Dreiblattrotor mit horizontaler Achse kommen sie jedoch nur auf verhältnismäßig niedrige Wirkungsgrade.

Darüber hinaus lassen sich Bauformen mit und ohne Generator voneinander unterscheiden. Die begrenzte Drehzahl der Rotoren machte es vor allem bei älteren Windkraftanlagen nötig, ein mechanisches Getriebe einzubauen, damit der Generator mit einer ausreichend hohen Drehzahl laufen kann. Der Einsatz von Getrieben verursacht jedoch auch Verschleiß und Reibungsverluste. Aus diesem Grund wurden Windkraftanlagen entwickelt, die ohne Getriebe auskommen und bei denen der Generator direkt angetrieben wird. Dadurch sinken sowohl die Energieverluste als auch der Wartungsaufwand.

Offshore und Onshore

Im Hinblick auf den Standort unterscheidet man Offshore- und Onshoreanlagen. Offshoreanlagen werden im Küstenvorfeld der Meere gebaut, was einen höheren baulichen Aufwand erfordert. Kompensiert wird dieser durch die deutlich höhere Anzahl an Volllaststunden gegenüber den auf dem Festland zu findenden Onshoreanlagen.

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