Leistung von Windanlagen


 
Zu geringe Geschwindigkeiten können die Rotoren noch nicht zum Laufen bringen. Windstärken zwischen 3 und 9 Beaufort können von Windkraftanlagen ausgenützt werden. Zu große Geschwindigkeiten können Schäden an der Anlage hervorrufen. Da die Leistung des Windes mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit anwächst, bedeutet oft eine geringfügige Erhöhung der Geschwindigkeit einen großen Leistungsgewinn.

Windströmungen enthalten Bewegungsenergie, man nennt sie auch kinetische Energie. Wind kann daher Arbeit verrichten. Die theoretisch im Wind enthaltene Leistung hängt sehr stark von der Windgeschwindigkeit ab. Eine Windkraftanlage kann aber dem Wind nicht die gesamte Energie entziehen.

Leistungsregelung

Windenergie lässt sich nur bei Windstärken innerhalb eines bestimmten Bereiches nutzen. Windkraftanlagen sind so ausgelegt, dass sie bereits bei mittleren Windgeschwindigkeiten ihre Nennleistung erreichen. Um die Drehzahl des Rotors trotz schwankender Windstärken annähend konstant zu halten, ist eine Regelung der Leistungsaufnahme notwendig.

Das geschieht durch Verdrehen der Rotorblätter. Die Rotorblätter werden durch einen eigenen Blattverstellantrieb gesteuert. Bei manchen Anlagen kann jedes Rotorblatt einzeln verstellt werden. Diese exakte Leistungsregelung ist für den gleichmäßigen Lauf des Generators besonders wichtig.

Pitch-Regelung

Meist sind größere Windkonverter mit einer automatischen Rotorblattverstellung ausgerüstet. Bei schwachem Wind werden die Rotorblätter so eingestellt, dass sie in voller Breite gegen die Strömung stehen. Bei stärkerem Wind lässt sich der Einstellwinkel zunehmend reduzieren. Bei Sturm werden die Blätter parallel zur Windströmung gerichtet, bis sich der Rotor nicht mehr dreht.

Diese Regelung wird als Pitch-Regelung bezeichnet, abgeleitet vom englischen "pitch", was so viel wie Neigung bedeutet. Zusätzlich verfügen diese Anlagen über ein hydraulisch betriebenes Scheibenbremssystem für den Notfall.

Stall-Regelung

Bei kleineren Windkraftanlagen sind die Rotorblätter meist nicht verstellbar. Das aerodynamische Profil der Rotorflügel ist daher so angelegt, dass bei Erreichen einer bestimmten Windgeschwindigkeit ein Strömungsabriss an den Rotorblättern erfolgt. Dadurch werden die Antriebskräfte auf den Rotor reduziert. Diese Regelung wird als Stall-Regelung bezeichnet, abgeleitet vom englischen "stall", was so viel wie Abrutschen bedeutet.

Als Betriebs- und Notfallbremse dient eine hydraulisch betriebene Scheibenbremse.
Als zusätzliche Sicherung gegen Überdrehen befinden sich an den Rotorblättern aerodynamisch wirkende Bremsklappen, die bei einer bestimmten Drehzahl des Rotors ausgefahren werden.

Schnelllaufzahl und Leistungskennlinien von Windrotoren

Für die Leistungsausbeute einer Windkraftanlage ist die Schnelllaufzahl l sehr wichtig. Darunter versteht man das Verhältnis aus Umlaufgeschwindigkeit der Rotorblattspitzen und der anströmenden Windgeschwindigkeit. Der Rotorleistungsbeiwert kennzeichnet den Wirkungsgrad eines Windrades. Er ist physikalisch begrenzt und könnte im Idealfall 59 % betragen.

Die modernen drei-, zwei- oder einblättrigen Windrotoren haben hohe Schnelllaufzahlen, man nennt sie Schnellläufer. Sie haben große Wirkungsgrade, benötigen aber zum Anlaufen größere Windstärken. Vielblättrige Rotoren, wie zum Beispiel die Holländerwindmühle, alte amerikanische Windturbinen oder der Savonius-Rotor, sind Langsamläufer. Sie benötigen zum Anlaufen nur geringe Windstärken.