Grundlagen der Energiegewinnung durch Windkraft
Eine Windkraftanlage nutzt die kinetische Energie des Windes, indem die Rotorblätter diese in Rotationsenergie umwandeln. Über ein Getriebe oder einen Direktantrieb wird die Rotationsenergie auf einen Generator übertragen, wo sie ähnlich wie bei einem Dynamo in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie wird u.a. durch die technischen Komponenten der Anlage sowie durch standortbedingte Faktoren bestimmt. Bei den technischen Komponenten kommen die Länge und das aerodynamische Profil der Rotorblätter, die Turmhöhe der Anlage, die Effizienz des Getriebe- und Generatorkonzepts, das verwendete Windnachführungskonzept und das Steuerungssystem zum Tragen. Zu den Standortfaktoren gehören die lokalen Windgeschwindigkeiten und die jeweiligen Standortbedingungen in Bezug auf größere Hindernisse in der Umgebung sowie die topografischen Gegebenheiten.
Arten von Windkraftanlagen
Heutige Windkraftanlagen unterscheiden sich nach Leistungsklassen, Bauformen und dem verwendeten aerodynamischen Grundprinzip. Bei den Leistungsklassen wird zwischen Klein-, Mittel- und Großwindenergieanlagen mit jeweils unterschiedlicher Leistung unterschieden. Sie reichen von kleinen Hausanlagen bis hin zu großen Megawattanlagen, die an Land oder auf dem Meer errichtet werden (On- und Offshore-Windkraftanlagen). Große Windkraftanlagen haben den Vorteil einer höheren Energieproduktion, sind jedoch auch mit höheren Installations- und Wartungskosten verbunden und benötigen eine Netzinfrastruktur für die Energieverteilung. Demgegenüber sind kleine Windkraftanlagen flexibler und einfacher zu installieren und erzeugen Energie nahe beim Verbraucher. Bei der Bauform unterscheidet man nach der Anordnung der Rotorachse zwischen horizontalen und vertikalen Windkraftanlagen. Zu den vertikalen Anlagen gehören die Savonius- und Darrieus-Rotoren. Sie haben im Vergleich zu Anlagen mit horizontaler Rotorachse einen geringeren Leistungsbeiwert, d.h. die Stromausbeute aus dem anströmenden Wind ist geringer als bei horizontalen Anlagen. Um die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie umzuwandeln, arbeiten Windkraftanlagen nach zwei aerodynamischen Grundprinzipien, dem Widerstands- und dem Auftriebsprinzip. Zu den Widerstandsläufern gehört zum Beispiel der Savonius-Rotor. Dieser setzt dem Wind eine Angriffsfläche entgegen und wandelt den Winddruck in mechanische Leistung um. Der Nachteil dieses Prinzips besteht darin, dass sich die Hälfte der Rotorfläche gegen den Wind bewegt, was zu einer Begrenzung der Drehzahl und der Leistung führt. Auftriebsläufer nutzen die an den Rotorblättern wirkenden Auftriebskräfte für die Drehzahl. Diese entstehen, wenn der auf ein Rotorblatt auftreffende Wind ober- und unterhalb des Blattes entlanggeführt wird. Aufgrund des aerodynamischen Profils des Rotorblattes entsteht auf der Oberseite des Rotorblattes ein Unterdruck (Saugseite) und unterhalb des Rotorblattes ein Überdruck (Druckseite). Die Druckdifferenz bewirkt eine Auftriebskraft, die das Rotorblatt antreibt bzw. den Rotor in Drehung versetzt. Windkraftanlagen mit horizontaler Rotorachse und drei, gegen den Wind gerichteten Rotorblättern, die als Auftriebsläufer arbeiten, sind die mit Abstand am weitesten verbreitete Bauform. Sie sind hinsichtlich des Wirkungsgrades den Vertikalanlagen weit überlegen.
