Energiewandlung

Energiewandlung

Windenergie ist die kinetische Energie bewegter Luft (von griechisch kinesis = Bewegung). Bei der Umwandlung in elektrische Energie durch eine Windenergieanlage muss die Energie des Windes über die Rotorblätter zunächst in mechanische  Rotationsenergie gewandelt werden, die dann über einen Generator elektrischen Strom liefert.

Die Wandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie unterliegt, wie alle Energiewandlungen, energetischen „Verlusten“. So kann dem Wind rein physikalisch nicht mehr als 59 Prozent der Leistung entnommen werden. (siehe Betz und Leistungsentnahme). Zusätzlich kommen noch aerodynamische Verluste durch Reibung und Verwirbelungen am Rotorblatt hinzu. Circa weitere zehn Prozent Verluste entstehen durch Reibung in den Lagern und dem Getriebe sowie im Generator selbst, in den Umrichtern und den Kabeln als elektrische Verluste.

Kinetische Energie

Jede bewegte Masse m (Körper, Flüssigkeit oder Gas) enthält kinetische Energie EKin. Sie ist gleich der Hälfte der Masse des Körpers mal dem Quadrat der Geschwindigkeit v:

Für Windkraftanlagen ist die bewegte Masse die Luft, die durch die Rotorfläche strömt.

Energie und Leistung

Der Luftdurchsatz, auch Massenstrom genannt, der in einer bestimmten Zeit durch die Rotorfläche eines Windrades strömt, beträgt:

Die Leistung P ist gleich der Energie E pro Zeiteinheit. Somit ergibt sich für die Leistung des Windes:

Da der Luftdurchsatz proportional und die Energie des Windes vom Quadrat der Windgeschwindigkeit abhängig ist, ist die Leistung des Windes von der dritten Potenz der Geschwindigkeit abhängig.

Somit ist der entscheidende Faktor für die Leistung des Windes seine Geschwindigkeit.
Nimmt die Windgeschwindigkeit um das 3 fache zu, so wird die Leistung um 3x3x3 = 27 Mal größer.
Die Dichte der Luft hat einen linearen Einfluss auf die Leistung. Kalte Luft ist dichter als warme Luft, somit liefert eine Windkraftanlage bei gleicher Windgeschwindigkeit z.B. bei -10°C ca. 11% mehr Energie als bei +20°C. Da die Dichte der Luft auch vom Umgebungsdruck abhängig ist, haben Hoch- und Tiefdruckgebiete sowie die Höhenlage des Standorts einen Einfluss auf den Ertrag eines Windrades.

Mechanische Leistung

An der drehenden Welle des Rotors wird die mechanische Leistung Pmech über das Produkt aus Drehmoment M und Rotorwinkelgeschwindigkeit Ω bzw. Drehzahl n bestimmt:

Elektrische Leistung

Der angetriebene Generator setzt die mechanische Leistung in elektrische Leistung, die über das Produkt von Strom I und Spannung U bestimmt ist, um. Hier gilt das Induktionsgesetz, das die Kopplung von elektrischen und magnetischen Größen beschreibt. Beim Generator ergibt sich die induzierte Spannung auf einen im Magnetfeld bewegten elektrischen Leiter als Wirkung. Beim Motor ist die Kraft auf einen stromdurchflossenen Leiter im drehenden Magnetfeld die Folge.



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Quelle: www.wind-energie.de/themen/technik/funktionsweise/energiewandlung