Windenergie als Beispiel f r Energieumwandlungen Das Prinzip von Windenergieanlagen (WEA) ist einfach (80.1): Der Wind dreht die Flügel, die über eine Welle einen Generator zur Stromerzeugung antreiben, der Strom wird ins Stromnetz abgegeben. Dabei treten folgende Energieumwandlungen auf: Der Rotor wandelt einen Teil der Bewegungsenergie der strömenden Luft in Rotationsenergie des Generators um. Der Generator wandelt die mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie. Die elektrische Energie steht Industrie und Haushalten zur Verfügung. Wodurch wird die Leistung einer WEA bestimmt? Dies können wir mit Hilfe der kinetischen Energie der strömenden Luft abschätzen. Dazu betrachten wir ein Luftpaket, das durch die von den Rotorblättern überstrichene Fläche A fließt (80.2). Bei der Windgeschwindigkeit v strömt in der Zeit Δt durch diese Fläche ein Luftvolumen A·v·Δt. Die entsprechende Masse m erhalten wir durch Multiplikation mit der Luftdichte ρ. Die kinetische Energie ergibt sich durch Multiplikation mit v2/2. Die Leistung P ist Energie pro Zeit, also: P = m·v2 _ 2Δt = A·v·Δt· ρ·v2 ___ 2Δt = A· ρ·v3 __ 2 Dieser Ausdruck gibt die gesamte, vom Wind durch den Querschnitt A transportierte Leistung P an. Wichtig ist, dass die Leistung mit der 3. Potenz der Windgeschwindigkeit wächst: Bei doppelter Windstärke gibt es die achtfache Leistung. Da die Luft hinter der WEA abströmen muss, kann dem Wind nur ein Teil dieser Leistung entnommen werden. Bei modernen Anlagen beträgt dieser Wirkungsgrad (Leistungsbeiwert cP) maximal ca. 60 %. Allerdings muss bei Windgeschwindigkeiten über 10 m/s die Umdrehungszahl, und dadurch die Leistung, durch Verstellen der Rotorblätter begrenzt werden, damit allzu große mechanische Belastungen der Rotorblätter und des Generators vermieden werden (80.3). Abschätzung der Leistung einer WEA Ein Beispiel: 65 m lange Flügel überstreichen eine Fläche A von ca. 13 300 m2. Mit der Windgeschwindigkeit v = 10 m/s (36 km/h) und der Dichte von Luft ρ = 1,2 kg/m3 ergibt sich eine Windleistung P von rund 8 MW, von der 50 % genutzt werden, d. h. die abgegebene Leistung ist ca. 4MW (80.3). 2 bis 4 MW ist die Größenordnung der Leistung von modernen Anlagen, die auf dem Festland errichtet werden. Windenergieanlagen im Meer sind noch größer und erreichen eine Leistung bis zu 10 MW. Meist bilden mehrere WEA einen Windpark. Im größten österreichischen Windpark Andau-Halbturn (Burgenland) stehen 79 WEA (80.4) mit einer maximalen Gesamtleistung von fast 240 MW (Zum Vergleich: Das Donaukraftwerk Wien-Freudenau hat eine Leistung von 170 MW). Österreichs WEA lieferten 2022 ca. 10 % der inländischen Stromproduktion. Untersuche, überlege, forsche: Windenergie 80.1 W2 a) Diskutiere, wie die Leistung einer WEA von der Flügellänge, Luftdichte und Windgeschwindigkeit abhängt. S2 b) Begründe, warum die Turbinen von Wasserkraftanlagen bei gleicher Leistung viel kleiner sind als die Rotoren einer WEA. 80.2 W1 a) Bestimme die Geschwindigkeit der Flügelspitzen von 65 m langen Flügeln bei 6 bzw. 18 Umdrehungen pro Minute. W2 b) Ermittle die Radialbeschleunigung, die Flügelspitzen aushalten müssen. W2 c) Erkläre, warum es notwendig ist, die Umdrehungszahl der Rotoren von WEA bei starkem Wind zu begrenzen. 80.3 S1 Informiere dich über Windparks in Österreich. Es wird behauptet, dass die WEA der burgenländischen Windparks ausreichend elektrische Energie liefern, um das Burgenland mit Strom zu versorgen. Erhebe die notwendigen Daten und beurteile die Aussage. 80.4 S1 Informiere dich und bilde dir eine Meinung über Vor- und Nachteile von Windenergie. 80.1 Komponenten einer Windkraftanlage Rotor Getriebe Kühlung Rotorbremse Generator Turm Windnachführung und Bremsung Lager Plattform Gondeldrehlager 80.2 Die Luftmenge A·v·Δt strömt während Δt durch das Windrad und dreht die Flügel. v v t · A 80.3 Leistung einer 2 MW-Windenergieanlage bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten. Der Leistungsbeiwert ist der Anteil der genutzten Windenergie (Daten: Fa. Enercon). 2.500 2.000 1.500 1.000 500 0 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 0 5 10 15 20 25 Leistung in kW P Leistungsbeiwert Cp Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe in m/s v 80.4 Windpark im Burgenland: Auf bis zu 170 m hohen Türmen treiben bis zu 80 m lange Rotorblätter Generatoren zur Stromerzeugung an. Im Jahr 2023 standen in Österreich 1 426 Windenergieanlagen mit der Maximalleistung von insgesamt ca. 3,9 GW in Betrieb. 80 1 Mechanische Arbeit und Energie Thermodynamik Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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