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flügler und Savoniusrotor), diesmal aber nicht auf mechanischem Wege, sondern – mittels eines kleinen Generators – anhand elektrischer Größen. Es soll gezeigt werden, wie die Kombination von Windrotor und Generator funktioniert. Viele Generatoren benötigen, verglichen mit dem Rotor einer Windkraftanlage, in Abhängigkeit seiner Polzahl hohe Drehzahlen. Deshalb haben viele Windturbinen Getr
d elektrischer Größen. Es soll gezeigt werden, wie die Kombination von
Windrotor und Generator funktioniert. Viele Generatoren benötigen, verglichen miUnabhängiges Institut für Umweltfragen e.V. (UfU), Bundesverband WindEnergie e.V. (BWE)
Windrotor sind wesentliche Kenntnisse zu Aufbau und Funktionsprinzip von Windkraftanlagen. Dabei spielt auch die historische Entwicklung dieser Anlagen eine bedeutende Rolle. In diesem Kapitel stehen
Wissenschaftliche Grundlagen Grundlage für die Untersuchungen am
Windrotor sind wesentliche Kenntnisse zu Aufbau und Funktionsprinzip von WindkraleXsolar GmbH
ei zu starkem Wind vor Zerstörung bewahren soll. Zwei grundlegende Funktionsweisen werden in Abschnitt 3.5 näher erläutert 7 Das Prinzip der Pitchregelung, welches zur Leistungsbegrenzung am Windrotor eingesetzt wird, ist im Abschnitt 3.5 näher beschrieben. 3 Physikalisch-Technische Grundlagen der Windenergienutzung Die physikalische Betrachtung von Windenergieanlagen beruht auf den Grund
rt 7 Das Prinzip der Pitchregelung, welches zur Leistungsbegrenzung am
Windrotor eingesetzt wird, ist im Abschnitt 3.5 näher beschrieben. 3 PhysikaliscleXsolar GmbH
er Strömungen ist heutzutage noch ein umfassendes Forschungsgebiet, welches in der Technik und besonders auch in der Windenergietechnik eine Rolle spielt. Entstehende Turbulenzen erzeugen am Windrotor eine erhöhte Lautstärke durch die heftige Luftbewegung und sie führen zu größerer Luftreibung am Rotorblatt. Der Rotorflügel wird also stärker gebremst und erbringt so weniger Leistung. Man
denergietechnik eine Rolle spielt. Entstehende Turbulenzen erzeugen am
Windrotor eine erhöhte Lautstärke durch die heftige Luftbewegung und sie führen leXsolar GmbH
nelllaufzahl oberhalb dieser Werte liegen, werden seltener gebaut, denn die Umfangsgeschwindigkeit ist bei diesen Anlagen sehr groß und es kommt zu einer erhöhten Geräuschbelastung durch den Windrotor . Deshalb sollte die Blattspitzengeschwindigkeit Werte von 80 bis 90 m/s nicht überschreiten Ein-Blatt-Rotoren werden sich wahrscheinlich aus diesem Grund und wegen des erhöhten Materialversc
n sehr groß und es kommt zu einer erhöhten Geräuschbelastung durch den
Windrotor. Deshalb sollte die Blattspitzengeschwindigkeit Werte von 80 bis 90 m/leXsolar GmbH
ner Windkraftanlage zu ermitteln und damit die erzeugte Leistung der Anlage zu bestimmen, sind einige Vorüberlegungen zur Energie der Luftströmung vor und dem Verhalten von Luftströmungen am Windrotor notwendig. Im Folgenden soll die Berechnung des Wirkungsgrades durch drei wesentliche Schritte, die einzelne Aspekte näher beleuchten, dargestellt werden. Energie der Luftströmung vor dem R
r Energie der Luftströmung vor und dem Verhalten von Luftströmungen am
Windrotor notwendig. Im Folgenden soll die Berechnung des Wirkungsgrades durch dleXsolar GmbH
Radius des Rotors und die Länge der Luftsäule vor dem Rotor. Die Windgeschwindigkeit wird als Abbildung 3-11 Luftvolumen vor dem Rotor konstant (im betrachteten Volumen) angenommen. Vor dem Windrotor verläuft die Strömung also (annähernd) laminar, ergibt damit was auch dem realen Sachverhalt entspricht. Die Leistung des Windes Der Luftmassenstrom ist also durch den Volumenstrom durch de
n vor dem Rotor konstant (im betrachteten Volumen) angenommen. Vor dem
Windrotor verläuft die Strömung also (annähernd) laminar, ergibt damit was auch leXsolar GmbH
ert entspricht trockener Luft bei Normaldruck auf Meereshöhe bei einer Temperatur von 15°. Einfluss des Rotors auf die Energie der Luftströmung Bisher wurde ausschließlich die Luft vo r dem Windrotor betrachtet. Der Windrotor selbst hat noch keinen Einfluss auf die Luftströmung. Auch die angegebene Leistung entspricht ausschließlich der des Windes ohne Einfluss einer Windturbine. Auf ein
Energie der Luftströmung Bisher wurde ausschließlich die Luft vo r dem
Windrotor betrachtet. Der Windrotor selbst hat noch keinen Einfluss auf die LuftleXsolar GmbH
uft bei Normaldruck auf Meereshöhe bei einer Temperatur von 15°. Einfluss des Rotors auf die Energie der Luftströmung Bisher wurde ausschließlich die Luft vo r dem Windrotor betrachtet. Der Windrotor selbst hat noch keinen Einfluss auf die Luftströmung. Auch die angegebene Leistung entspricht ausschließlich der des Windes ohne Einfluss einer Windturbine. Auf eine entsprechende Fläche bez
isher wurde ausschließlich die Luft vo r dem Windrotor betrachtet. Der
Windrotor selbst hat noch keinen Einfluss auf die Luftströmung. Auch die angegebleXsolar GmbH
bbremst. Die entnommene Energie kann durch die Anlage teilweise in elektrische umgewandelt werden12. Allerdings muss wegen der Kontinuitätsgleichung der Massenstrom der Luft vor und nach dem Windrotor konstant sein13. Die Dichte der Luft ändert sich während des Durchgangs durch den Rotor nicht signifikant. Damit muss eine Änderung des Volumenstromes vorliegen. Dieser berechnet sich durch
en der Kontinuitätsgleichung der Massenstrom der Luft vor und nach dem
Windrotor konstant sein13. Die Dichte der Luft ändert sich während des DurchgangleXsolar GmbH
durch , muss also sein. Der konzentrierte, enge Luftstrom vor Da konstant und der Turbine verbreitert sich daher nach Durchdringen des Flügelrades. Um die Energie zu berechnen, die durch den Windrotor genutzt wird, benötigt man die sogenannte mittlere Windgeschwindigkeit , die durch berechnet werden kann. Diese mittlere Windgeschwindigkeit entspricht etwa der Geschwindigkeit des Windes, d
rchdringen des Flügelrades. Um die Energie zu berechnen, die durch den
Windrotor genutzt wird, benötigt man die sogenannte mittlere WindgeschwindigkeitleXsolar GmbH
, benötigt man die sogenannte mittlere Windgeschwindigkeit , die durch berechnet werden kann. Diese mittlere Windgeschwindigkeit entspricht etwa der Geschwindigkeit des Windes, die direkt am Windrotor gemessen werden könnte. Somit kann nun die Leistung berechnet werden, die der Windrotor tatsächlich nutzt. Die zur Verfügung stehende Leistung der Windanlage ergibt sich zu Man nimmt genau
ndigkeit entspricht etwa der Geschwindigkeit des Windes, die direkt am
Windrotor gemessen werden könnte. Somit kann nun die Leistung berechnet werden, leXsolar GmbH
kann. Diese mittlere Windgeschwindigkeit entspricht etwa der Geschwindigkeit des Windes, die direkt am Windrotor gemessen werden könnte. Somit kann nun die Leistung berechnet werden, die der Windrotor tatsächlich nutzt. Die zur Verfügung stehende Leistung der Windanlage ergibt sich zu Man nimmt genau die Geschwindigkeitsdifferenz der Geschwindigkeit vor und hinter dem Rotor als ,,genutzt
n werden könnte. Somit kann nun die Leistung berechnet werden, die der
Windrotor tatsächlich nutzt. Die zur Verfügung stehende Leistung der Windanlage leXsolar GmbH
tivität einer Windenergieanlage weiter zu untersuchen, wird der Leistungsbeiwert errechnet. Dabei ist gerade die Energie des Windes ohne Einfluss der Windturbine und damit ist Die durch den Windrotor nutzbare Leistung hängt also nur vom Verhältnis der Windgeschwindigkeiten vor und hinter dem Flügelrad ab. Die Windkraftanlage arbeitet umso besser, je stärker sie die Luft beim Durchgang du
des Windes ohne Einfluss der Windturbine und damit ist Die durch den
Windrotor nutzbare Leistung hängt also nur vom Verhältnis der WindgeschwindigkeileXsolar GmbH
ttern liegt zwischen 7 und 8, das heißt die Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitzen ist rund achtmal größer als die Windgeschwindigkeit15. Es kommt zur Superposition der Geschwindigkeiten am Windrotor . Mathematisch gesehen werden sie vektoriell addiert. Die Umfangsgeschwindigkeit ändert durch die Drehbewegung in jedem Moment ihre Richtung, die Windrichtung ist aber im Allgemeinen konstant
geschwindigkeit15. Es kommt zur Superposition der Geschwindigkeiten am
Windrotor. Mathematisch gesehen werden sie vektoriell addiert. Die UmfangsgeschwleXsolar GmbH
s zu 70-90 m/s kommen. Im Vergleich dazu liegt die Windgeschwindigkeit bei starkem Wind (Windstärke 6 bis 7) nur bei ca. 10-15 m/s. Abbildung 3-17 Rotorblatt mit Profilquerschnitten Um den Windrotor mit einer größeren Windgeschwindigkeit betreiben zu können, werden hohe Türme gebaut, um die Rotoren möglichst weit vom Boden entfernt zu betreiben. So wird die umgebende Luft weniger stark
10-15 m/s. Abbildung 3-17 Rotorblatt mit Profilquerschnitten Um den
Windrotor mit einer größeren Windgeschwindigkeit betreiben zu können, werden hohleXsolar GmbH
gt und der Aufbau in Windkraftanlagen ist damit kostengünstiger. Man nutzt diese Generatorart hauptsächlich für mittelgroße Anlagen bis ein Megawatt Nennleistung. 3.5 Leistungsbegrenzung am Windrotor Um Schäden an einer Windkraftanlage durch sehr starken Wind oder Sturm zu verhindern, wurden Schutzkonzepte entwickelt. Die beiden gängigen prinzipiellen Abläufe sollen im Folgenden kurz dar
oße Anlagen bis ein Megawatt Nennleistung. 3.5 Leistungsbegrenzung am
Windrotor Um Schäden an einer Windkraftanlage durch sehr starken Wind oder SturmleXsolar GmbH
r, robusterer und meist kleinerer Stall-Anlagen gearbeitet wurde. Am Institut für Aero- und Gasdynamik der Universität Stuttgart (IAG) wurden von Franz Xaver Wortmann spezielle Profile für Windrotoren entwickelt, eine Tradition die sich bis heute in der aeroakustischen Erforschung von besonders geräuscharmen und leistungsfähigen Profilformen fortsetzt. Das Stuttgarter Institut für Comp
tuttgart (IAG) wurden von Franz Xaver Wortmann spezielle Profile für
 Windrotoren entwickelt, eine Tradition die sich bis heute in der aeroakustischeUniversität Stuttgart. Themenheft Forschung Nr. 6, 2010
abgas- und CO2-freie Stromquelle begründet ihre weitere (auch weltweite) politische und ökonomische Förderung. Aufbau einer netzeinspeisenden Windenergieanlage C.2 Elektrische Leistung von Windrotoren In diesem Experiment sollen wiederum die Leistungsbeiwerte von zwei Modellrotoren bestimmt werden (Vierflügler und Savoniusrotor), diesmal aber nicht auf mechanischem Wege, sondern – mitt
ner netzeinspeisenden Windenergieanlage C.2 Elektrische Leistung von
 Windrotoren In diesem Experiment sollen wiederum die Leistungsbeiwerte von zweiUnabhängiges Institut für Umweltfragen e.V. (UfU), Bundesverband WindEnergie e.V. (BWE)
g aus Darrieus - und Savonius - Prinzip. Der Aufbau entspricht grundsätzlich einem H – Darrieus – Rotor, bei dem statt geraden, gebogene Rotorblätter eingesetzt werden. Die Vorteile dieser Windrotoren sind: • Unabhängigkeit von der Windrichtung • Energieerzeugung auch bei extremen Sturmböen möglich • niedrige Anlaufgeschwindigkeit (2-3 m/s) • sehr geringe Schallemissionen • durch einfa
eraden, gebogene Rotorblätter eingesetzt werden. Die Vorteile dieser
 Windrotoren sind: • Unabhängigkeit von der Windrichtung • Energieerzeugung auchSGD Süd, Zentralstelle der Forstverwaltung, Forschungsanstalt für Waldökologie und Forstwirtschaft Rheinland-Pfalz (FAWF)
werden zur Stromerzeugung eingesetzt. ZENTRALE BEGRIFFE Windgeschwindigkeit Strömungsverhalten Aerodynamik Abb. 4 Die Entstehung des Auftriebs (Quelle: HEW) Abb. 5 Leistungskennlinien von Windrotoren unterschiedlicher Bauart (Quelle: Hau) TECHNIK Übliche Standardanlagen zur netzgekoppelten Stromerzeugung nutzen das aerodynamische Auftriebsprinzip, haben eine horizontale Achse mit 3 Ro
ntstehung des Auftriebs (Quelle: HEW) Abb. 5 Leistungskennlinien von
 Windrotoren unterschiedlicher Bauart (Quelle: Hau) TECHNIK Übliche StandardanlaBINE Informationsdienst, FIZ Karlsruhe – Leibniz-Institut für Informationsinfrastruktur GmbH
da beispielsweise ein Darrieus-Rotor nicht von allein startet. Er wird aus diesem Grund oft mit einem Savonius-Rotor gekoppelt. Für die Erzeugung elektrischer Energie sind diese Arten von Windrotoren aktuell nicht von Bedeutung, denn sie erreichen nur relativ geringe Wirkungsgrade. Allerdings gibt es durchaus Firmen, wenn auch wenige, die sich mit der Entwicklung, Verbesserung und Her
koppelt. Für die Erzeugung elektrischer Energie sind diese Arten von
 Windrotoren aktuell nicht von Bedeutung, denn sie erreichen nur relativ geringeleXsolar GmbH
s mehreren Rotorblättern besteht. Üblich sind Rotoren mit zwei oder drei Rotorblättern, allerdings werden auch Einblattrotoren getestet. Man charakterisiert die verschiedenen Arten solcher Windrotoren nach der Schnelllaufzahl. Diese wird mit bezeichnet und errechnet sich als Quotient aus der Blattspitzengeschwindigkeit (auch Umfangsgeschwindigkeit genannt) und der Windgeschwindigkeit i
otoren getestet. Man charakterisiert die verschiedenen Arten solcher
 Windrotoren nach der Schnelllaufzahl. Diese wird mit bezeichnet und errechnet sleXsolar GmbH
n Bedeutung. Dieser Maximalwert gilt uneingeschränkt für alle Windkraftanlagen und ist unabhängig vom Aufbau der Anlage, der Form der Rotorblätter oder anderen Unterscheidungsmerkmalen von Windrotoren . Man definiert nun den Wirkungsgrad einer Windkraftanlage als das Verhältnis ihrer Leistung zur maximal nutzbaren Leistung des Windes: Der Wirkungsgrad der Windnutzung hängt vor allem vo
der Form der Rotorblätter oder anderen Unterscheidungsmerkmalen von
 Windrotoren. Man definiert nun den Wirkungsgrad einer Windkraftanlage als das VleXsolar GmbH
oder Windkraftanlagen genutzt. Das Geheimnis der Auftriebskraft liegt in der Form der Flügel beziehungsweise Rotoren. In der Aerodynamik ist der Querschnitt eines Flugzeugflügels oder eines Windrotors , das so genannte ›Tragflügelprofil‹, verantwortlich für die Größe der Auftriebskraft. Das Profil hat üblicherweise auf der Vorderseite eine abgerundete Nase und läuft auf der Rückseite in
der Aerodynamik ist der Querschnitt eines Flugzeugflügels oder eines
 Windrotors, das so genannte ›Tragflügelprofil‹, verantwortlich für die Größe deUnabhängiges Institut für Umweltfragen e.V. (UfU), Bundesverband WindEnergie e.V. (BWE)
Windkraftanlage 15 Welche physikalischen und technischen Vorgänge an einer Windkraftanlage ablaufen, wird in den folgenden Kapiteln näher beschrieben. 3.3.1 Leistung und Wirkungsgrad des Windrotors Um den Wirkungsgrad einer Windkraftanlage zu ermitteln und damit die erzeugte Leistung der Anlage zu bestimmen, sind einige Vorüberlegungen zur Energie der Luftströmung vor und dem Verhalt
nden Kapiteln näher beschrieben. 3.3.1 Leistung und Wirkungsgrad des
 Windrotors Um den Wirkungsgrad einer Windkraftanlage zu ermitteln und damit dieleXsolar GmbH
l die Berechnung des Wirkungsgrades durch drei wesentliche Schritte, die einzelne Aspekte näher beleuchten, dargestellt werden. Energie der Luftströmung vor dem Rotor Um die Leistung eines Windrotors zu bestimmen wird die kinetische Energie der Luftströmung benötigt, die diese vor der Windkraftanlage besitzt. Man betrachtet dazu ein zylinderförmiges Volumen vor dem Rotor (siehe Abbildu
werden. Energie der Luftströmung vor dem Rotor Um die Leistung eines
 Windrotors zu bestimmen wird die kinetische Energie der Luftströmung benötigt, leXsolar GmbH

Notes:
1 Where to start a query
2Smart Searcht breaks the user's input into individual words and then matches those words in any position and in any order in the table (rather than simple doing a simple string compare)
3Regular Expressions can be used to initialize advanced searches. In the regular expression search you can enter regular expression with various wildcards such as:

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