Funktionsweise einer Windkraftanlage
Grundsätzlich wird die Bewegungsenergie (kinetische Energie) des Windes zur Produktion von Strom genutzt. Eine Windkraftanlage liefert ihre Leistung, indem sie die Kraft des Windes in ein Drehmoment (drehende Kraft, mechanische Energie) an den Rotorblättern umwandelt. Diese wird wiederum von einem Generator in elektrische Energie umgewandelt.
Die Energiemenge, die der Wind auf den Rotor überträgt, hängt von drei Faktoren ab: der Luftdichte, der Rotorfläche und der Windgeschwindigkeit.
Das Funktionsprinzip einer Windkraftanlage in 30 Sekunden erklärt:
Wichtige Kennwerte der Windkraftanlage (WKA)
Leistungsbeiwert
Der Leistungsbeiwert (realer Wirkungsgrad) gibt an, wie effizient eine Windkraftanlage die kinetische Energie des Windes in Elektrizität umwandelt. Leistungsbeiwert cp = elektrische Abgabeleistung dividiert durch die Leistung, die der Wind zur Verfügung stellt. Das theoretische Maximum liegt nach dem Betz'sche Gesetz bei 0,59 %, d. h. höchstens 59 % der kinetischen Energie kann in mechanische Energie umgewandelt werden.
Schnelllaufzahl
Die Schnelllaufzahl ist eine Kennzahl für die Auslegung der WKA. Sie zeigt das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit des Rotors zu Windgeschwindigkeit. Schnelllaufzahl λ = Umfangsgeschwindigkeit/Windgeschwindigkeit.
Im folgenden Video wird erklärt, wie man die Betzsche Leistungszahl berechnet:
Die kinetische Energie eines bewegten Körpers ist proportional zu seiner Masse (oder seinem Gewicht). Deshalb hängt die kinetische Energie des Windes von der Luftdichte ab, also von der Masse pro Volumenseinheit. In anderen Worten: Je „schwerer“ die Luft, umso mehr Energie kann die Anlage aus ihr entnehmen.
Eine Windkraftanlage mit 1000 kW hat einen Rotordurchmesser von 54 m, das ergibt eine Rotorfläche von 2300 m². Die Rotorfläche bestimmt, wie viel Energie eine Windkraftanlage dem Wind entziehen („ernten“) kann. Da die Rotorfläche mit dem Quadrat des Rotordurchmessers zunimmt, kann eine doppelt so große Anlage 2² = 2 x 2 = viermal so viel Energie ernten.
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