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WKA-Grundlagen 

 

Typen von Windkraftanlagen

Windkraftanlagen lassen sich nach unterschiedlichen Kriterien klassifizieren. Die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale liegen in der Windenergieumwandlung, der Bauform bzw. Anordnung der Drehachsen der Anlage und der Rotoraerodynamik.

Windenergieumwandlung: Widerstandsläufer und Auftriebsläufer

    Bei Windkraftanlagen, die nach dem Widerstandsprinzip arbeiten, wird der Luftwiderstand eines sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegenden Körpers ausgenutzt. Dazu ist es notwendig, daß die Drehachse vertikal zur Grundfläche verläuft. Der Luftwiderstand hängt von der Geschwindigkeit, der Luftangriffsfläche und der Luftdichte ab. Außerdem spielen die Form sowie die Beschaffenheit der Oberfläche des Körpers (zusammengefaßt im sog. Widerstandsbeiwert cw) eine entscheidende Rolle. Der maximale Leistungsbeiwert cp liegt für Widerstandsläufer bei etwa 20 %. Beispiele für Widerstandsläufer stellen der Savoniusrotor oder das Schalensternanemometer (Windgeschwindigkeitsmeßgerät) dar.
    Im Gegensatz zu den Widerstandsläufern können mit Windkraftanlagen, die das Prinzip des aerodynamischen Auftriebs nutzen, höhere Leistungsbeiwerte erzielt werden. Durch das Auftreffen des Windes auf einen Rotorflügel, der gegenüber der Windrichtung einen leicht versetzten Anstellwinkel besitzt, entsteht unterhalb des Flügels ein Überdruck, während oberhalb des Flügels ein Unterdruck herrscht. Durch diese Druckdifferenz wird eine Auftriebskraft erzeugt, die von modernen Windkraftanlagen ausgenutzt wird (Effekt des Flugzeugtragflügels).
Bauform: Horizontal- und Vertikalachsenrotoren
    Je nach der Anordnung der Drehachse des Windkraftkonverters unterscheidet man zwischen Horizontal- und Vertikalachsenrotoren. Die meisten modernen Windkraftanlagen (Quelle: E. Hau: Windkraftanlagen. Springer, 1996, 21kB-JPG), aber beispielsweise auch alte Windmühlen besitzen eine horizontale Achse. Die Vorteile von Horizontalachsenrotoren bestehen in der Möglichkeit der Blattwinkeleinstellung sowie in der optimalen Ausnutzung des aerodynamischen Auftriebsprinzips.
    Windkraftanlagen mit vertikalen Achsen sind z. B. der Darrieus-Rotor oder der Savonius-Rotor (Quelle: E. Hau: Windkraftanlagen.Springer, 1996, 27kB-JPG). Vertikalachsenrotoren sind windrichtungsunabhängig, besitzen jedoch eine geringe Schnellaufzahl. 
Rotoraerodynamik: Schnell- und Langsamläufer
    Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal für Windkraftanlagen stellt die Rotorgeometrie und die damit in Verbindung stehende Rotoraerodynamik dar. In diesem Zusammenhang wird die sogenannte Schnellaufzahl definiert. Sie gibt das Verhältnis zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze und der Windgeschwindigkeit an:

    Schnellaufzahl lambda = u / vw

    mit
    u = Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze,
    vw = Windgeschwindigkeit.

    Der Leistungsbeiwert cp ist eine Funktion der Schnellaufzahl (Abhängigkeit des Leistungsbeiwertes von der Schnellaufzahl für verschiedene Typen von Windkraftanlagen, Quelle: E. Hau: Windkraftanlagen. Springer, 1996, 31kB-JPG). Moderne dreiflügelige Windkraftanlagen werden zu den Schnelläufern gezählt, während die amerikanische Windturbine oder die Holländer-Windmühle zu den Langsamläufern gerechnet werden.