:: wikimiki.org ::

Anstellwinkel

Anstellwinkel

In der Luftfahrt ist der Anstellwinkel der Winkel zwischen der anströmenden Luft und der Profilsehne der Tragfläche. Je geringer der Anstellwinkel ist, desto höher muss die Geschwindigkeit sein, um einen bestimmten Auftrieb zu erhalten, zum Beispiel um ein Flugzeug mit dem Gewicht von 50 Tonnen ohne Höhenverlust in der Luft zu halten. Vergrößerungen des Anstellwinkels erhöhen den Auftrieb bis zu einem kritischen Punkt, bei dem die Strömung abreißt und der Auftrieb zusammenbricht. Der Anstellwinkel eines Flugzeugs kann durch Betätigung des Höhenruders beeinflusst werden. Eine Erhöhung des Anstellwinkels wird zum Beispiel bei der Landung vorgenommen, um auch bei der geringen Geschwindigkeit noch genügend Auftrieb zu erhalten. Bei einigen wenigen Flugzeugen wird der Anstellwinkel ohne Fluglagenänderung über Veränderungen des Einstellwinkels gesteuert. In die Serie eingeführt wurde dies bei der Vought F-8. Der Anstellwinkel ändert sich auch, wenn das Profil durch Ausfahren von Vorflügeln oder Landeklappen verändert wird, oder wenn es sich durch Auf- oder Abwinde bewegt. Moderne Windenergieanlagen, Hubschrauberrotoren und Verstellpropeller an Flugzeugen nutzen die Verstellung des Anstellwinkels zur Leistungregelung. Bei WEAs wird der aerodynamische Wirkungsgrad des Rotors durch Verringerung des Auftriebes so eingestellt, dass die Nennleistung des Generators nicht überschritten wird. Kategorie:Aerodynamik ja:迎角

Luftfahrt

Als Luftfahrt (auch Aviatik, von lat. avis = Vogel) bezeichnet man Reisen und Gütertransport durch die Erdatmosphäre. Der Begriff umfasst heute allgemein alle Personen, Unternehmen, Tätigkeiten und Teilgebiete (auch auf dem Boden), die den Betrieb von Fluggeräten betreffen. Es wird grundsätzlich unterschieden zwischen:
- ziviler Luftfahrt, welche wiederum aufgeteilt ist in:
- den kommerziellen Luftverkehr
- die allgemeine Luftfahrt
- und den Luftsport
- und militärischer Luftfahrt Technisch betrachtet gibt es zwei Sorten von Luftfahrzeugen:
- schwerer als Luft: Flugzeuge, Hubschrauber
- Leichter als Luft: Ballone, Luftschiffe (Zeppelin als der bekannteste Vertreter) Ob Fliegen oder Fahren als Begriff für die Fortbewegung verwendet wird, hängt von der oben genannten Art und Weise der Auftriebserzeugung ab. Ballone und Luftschiffe „schwimmen“ durch ihren statischen Auftrieb in der Luft ähnlich einem Schiff im Wasser. Ihre Fortbewegung wird daher als Fahren bezeichnet. Da Ballone und Luftschiffe die Begründer des Luftverkehrs waren, etablierte sich der Begriff Luftfahrt. Flugzeuge und Hubschrauber erzeugen ihren dynamischen Auftrieb durch Bewegungen durch die Luft (Fortbewegunggeschwindigkeit bzw. Rotationsgeschwindigkeit) Ihre Fortbewegungsart nennt man Fliegen. Die Funktionsweisen werden im Kapitel Luftfahrzeuge näher erläutert. In letzter Zeit gewinnt (vor allem im Militärwesen) die unbemannte Luftfahrt an Bedeutung.

Siehe auch

- Portal:Luftfahrt - Anlaufstelle zum Thema Luftfahrt in der Wikipedia
- Geschichte der Luftfahrt, Flugpionier, Katastrophen der Luftfahrt
- Allgemeine Luftfahrt, Luftsport
- Luftverkehr, Fluggesellschaft, Start- und Landebahn
- Flugfunk
- Flugplan
- Luftsicherheit
- Fliegersprache
- Luftfahrttechnik

Weblinks

- http://www.erklaert.de - Wissenswertes zur Verkehrsluftfahrt
- http://www.lba.de - Luftfahrt-Bundesamt !Luftfahrt ja:航空

Tragfläche

Die Tragfläche ist das Bauteil eines Flugzeugs, das den Auftrieb erzeugt.

Funktionsprinzip

Der Auftrieb entsteht durch Luft, die um die Tragfläche herum strömt. Die Luft wird insgesamt nach unten abgelenkt, und nach dem dritten Newton'schen Gesetz (Kraft=Gegenkraft) entsteht dabei eine Auftriebskraft. Diese hält das Flugzeug - entgegen der Schwerkraft - in der Luft. Wenn man die Luftströmung um eine Tragfläche im Detail betrachtet, stellt man fest, dass die Luft oberhalb der Tragfläche schneller als unterhalb fließt. Im Bereich über der Tragfläche bildet sich durch die schnellere Strömung nach Bernoulli ein Unterdruck, der die Tragfläche nach oben "saugt". Auf der Unterseite steigt aufgrund der langsameren Strömung der Druck gleichzeitig an und "hebt" das Flugzeug. Der Auftrieb wird im Reiseflug etwa zu 2/3 durch die Tragflächenoberseite erzeugt und nur zu 1/3 durch die Unterseite. Die spezielle Form (das "Profil") der meisten Tragflächen, deren Oberseite meist konvex gewölbt ist, verstärkt den Geschwindigkeitsunterschied zwischen Ober- und Unterseite, das Ausmaß der Luftablenkung und somit letztlich den Auftrieb. Die Form des Tragflügels ist auch entscheidend für eine laminare bzw. turbulente Strömung, die über die Qualität des Auftriebs entscheidet. Grundsätzlich erzeugt jedoch jede flache Form einen Auftrieb, sofern sie mit einem Anstellwinkel schräg zur Luftströmung gehalten wird. Beispiele hierfür sind ein Papierflieger oder die aus dem fahrenden Auto gehaltene Hand. Da die Auftriebserzeugung immer gleich funktioniert, sind Flugzeuge mit allen Flügelprofilen in der Lage, auch auf dem Rücken zu fliegen. Detailliertere Modelle sprechen von einer Zirkulation, die aufgrund des Anstellwinkels (Neigung der Tragfläche zum Luftstrom) um die Tragfläche herum entsteht. Diese zirkuliert auf der Oberseite der Tragfläche mit dem Luftstrom und auf der Unterseite gegen den Luftstrom und addiert sich zur ungestörten Luftströmung. Tatsächlich strömt die Luft auf der Unterseite der Tragfläche nicht entgegengesetzt. Es handelt sich hierbei um ein mathematisches Modell, das erklären soll, dass der Luftstrom auf der Oberseite der Tragfläche aufgrund der Zirkulation beschleunigt und auf der Unterseite leicht verlangsamt wird. Entscheidend beeinflusst wird der Auftrieb durch Veränderungen des Anstellwinkels (z.B. durch Betätigung des Höhenruders) - allerdings nur bis zu einem bestimmten Punkt. Wird versucht, den Anstellwinkel noch weiter zu erhöhen, löst sich die Luftströmung von der Oberseite der Tragfläche ab (Strömungsabriss). Die Luftablenkung nach unten und somit der Auftrieb brechen dabei zusammen, und es entstehen statt dessen nur noch Luftwirbel. Da Tragflächen nur bei Umströmung Auftrieb liefern, spricht man von dynamischem Auftrieb.

Form

Strömungsabriss In der Frühzeit der Fliegerei waren die Tragflächen entweder einfache Rechtecke, Ellipsen oder in ihrer Form dem Vogelflügel nachempfunden. Heutige Tragflächen haben eine Vielzahl verschiedener Formen. In der Regel sind sie lang gestreckt und haben eine tropfenähnliche Form im Profil. Zum Ende hin verjüngen sie sich. Bei moderneren Verkehrsflugzeugen gehen sie in so genannte Winglets über. Durch den geringeren Luftdruck auf der Oberseite der Tragflächen, strömt die Luft an deren Spitzen von unten nach oben. So entstehen Luftwirbel die sich unter anderem in den gefürchteten Wirbelschleppen fortsetzen. Die Winglets vermindern Luftverwirbelungen an den Enden der Tragflächen, reduzieren so den Energieverlust, den die Wirbelschleppen mit sich bringen und machen so das Flugzeug sparsamer im Verbrauch. Überschallflugzeuge, z.B. die Concorde, haben oft dreieckige Tragflächen oder Deltaflügel. Diese sind den beim überschallschnellen Flug auftretenden Effekten besser angepasst, als der sonst üblicherweise eingesetzte Trapezflügel. Beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit treten Verdichtungsstoße auf. Dies sind Bereiche, in denen der Druck des umgebenden Fluids, also der Luft, sprunghaft ansteigt. Einige dieser Stöße breiten sich in einer Form um das Flugzeug aus, der die Pfeilung des Flügels angepasst ist. (Je höher die Fluggeschwindigkeit sein soll, um so stärker muss der Flügel gepfeilt sein.) Beim Flug mit Überschallgeschwindigkeit tritt ein (schräger) Stoß an der der Vorderkante auf. Beim Flug mit Transschallgeschwindigkeit tritt ein (senkrechter) Stoß auf der Flügeloberseite auf, hinter dem die Geschwindigkeit der Luftströmung plötzlich in den Unterschall fällt, was eine Umkehrung einiger strömungmechanischer Effekte zur Folge hat. Kombiniert man also durch eine falsche Flügelkonfiguration diese unterschiedlichen Effekte auf einen Flügel können sich diese gegenseitig eliminieren. Schlussendlich erhält man eine homogene Antrömungsgeschwindigkeit auf die Vorderkande des Flügels, wenn diese der Anströmung selbst angepasst ist. Verdichtungsstoß Durch die Pfeilung verringert sich diese Geschwindigkeit mit dem Kosinus des Pfeilwinkels und führt zum Verlust von Auftrieb. Nachteilig ist außerdem, dass neben dieser Normalgeschwindigkeit auch eine Tangentialkomponente auftritt, die sich entsprechend vergrößert. Diese bewirkt ein Abschwimmen der Grenzschicht im äußeren Flügelbereich. Dadurch wird die Grenzschicht aufgedickt, und es kann zu einem Ablösen der Strömung an den Flügelspitzen kommen. Dies verringert die Querruderwirksamkeit. Daneben sind noch eine Reihe weiterer Formen, z.B. ringförmige Tragflächen (Ringflügel) möglich, die aber bislang nur bei Modell- und Experimentalflugzeugen verwirklicht wurden. Insbesondere bei Flugzeugen mit Strahlantrieb ("Düsenflugzeuge") sind die Tragflächen zum ermöglichen des Überschallfluges oft pfeilförmig nach hinten abgewinkelt. Eine Reihe von Militärflugzeugen, die in der 60er und 70er Jahren konstruiert wurden können durch eine variable Geometrie die Pfeilung ihrer Tragflächen im Flug verstellen (Schwenkflügel), um sie optimal an die jeweilige Geschwindigkeit anzupassen. Ein Forscherteam (Miklosovic/Murray/Howle/Fish) hat am vor kurzem nach dem Vorbild der Vorderflossen des Buckelwals eine Flügelform im Windkanal erprobt die an der Vorderkante gewellt ist. Dadurch konnte gegenüber einem sonst gleichen Flügel mit gerader Vorderkante der Auftrieb um bis zu 8% gesteigert und gleichzeitig der Luftwiderstand um bis zu 32% gesenkt werden. Der Anstellwinkel bei dem es zum Strömungsabriss (Stall) kam lag 40% höher. Der Grund für diese guten Leistungsdaten liegt in der Energieeinleitung in die Strömung durch die gewellte Vorderkante (ähnlich Vortexgeneratoren).

Anordnung

Je nach Höhe der Anbringung der Tragflächen teilt man Flugzeuge in Tiefdecker (die Tragflächen sitzen unter dem Rumpf), Mitteldecker (mittlere Höhe), Schulterdecker (bündig mit der Rumpfoberkante) und Hochdecker (Tragflächen über dem Rumpf) ein. Flugzeuge bei denen das Höhenleitwerk vor dem Flügel angeordnet ist, heissen Enten- oder Canardflugzeuge. Die meisten modernen Flugzeuge besitzen auf jeder Seite des Rumpfs eine Tragflächenhälfte. In den ersten Jahrzehnten der Fliegerei waren Doppeldecker mit jeweils zwei Tragflächen übereinander häufig, vereinzelt wurden sogar Dreidecker gebaut. Heute werden Doppeldecker nur noch für den Kunstflug gebaut. Es gibt auch Flugzeuge mit nur einer Tragfläche, ohne Leitwerk. Solche nennt man Nurflügel oder auch Schwanzlose. Flugzeuge mit zwei oder mehreren hintereinander angeordneten Tragflächen blieben eine Rarität.

Antrieb

Anders als bei den Flügeln der Tiere, die Vortrieb und Auftrieb erzeugen, liefern Tragflächen nur Auftrieb. Der Vortrieb muss von separaten Triebwerken erzeugt werden. Zu Beginn der Fliegerei wurde mit Tragflächen experimentiert, die den Flügelschlag der Vögel nachahmen und dadurch Vortrieb erzeugen sollten. Diese Konstruktionen (Schwingenflugzeuge oder auch Ornithopter) erwiesen sich jedoch für die manntragende Fliegerei als ungeeignet und wurden bisher nur im Modellflug erfolgreich verwirklicht. Die einzige praktikable Lösung einer Kombination von Vor- und Auftrieb in der Tragfläche besteht darin, die Tragflächen um eine vertikale Achse rotieren zu lassen. In diesem Fall spricht man dann aber von einem Rotorblatt (siehe Hubschrauber).

Weitere Funktionen

Tragflächen moderner Flugzeuge erfüllen noch eine Reihe weiterer Funktionen:
- Sie enthalten große Treibstofftanks
- Sie tragen eine Vielzahl von Klappen zur Steuerung, z.B. Querruder, Spoiler, Trimmruder
- Sie verfügen über Auftriebshilfen
- Durch eine elastische Bauweise sind die Tragflächen gleichzeitig die "Federung" des Flugzeugs und fangen vertikale Kräfte durch Luftwirbel ab
- Sie bilden bei vielen Großflugzeugen die Aufhängung für die Triebwerke (meistens in Gondeln darunter)

Siehe auch

- Holm (Flügel)
- Flügelwurzel

Weblinks

- [http://www.erklaert.de/warum/fliegen.htm Auftrieb erklärt (www.erklaert.de)]
- [http://www.quarks.de/fliegen2/02.htm Leider erklärt auch Quarks & Co (WDR) das Prinzip des Auftriebs noch nicht mit der Gegenkraft der nach unten beschleunigten Luft] Kategorie:Aerodynamik ja:翼

Auftrieb

Als Auftrieb bezeichnet man eine Kraft, die eine Flüssigkeit oder ein Gas auf einen Körper (oder auf ein Gasvolumen) ausübt. Man unterscheidet den entgegen der Schwerkraft wirkenden statischen Auftrieb vom rechtwinklig zur Anströmung wirkenden dynamischen Auftrieb. Abtrieb ist physikalisch gesehen die gleiche Kraft wie der Auftrieb, wirkt aber in die entgegengesetzte Richtung.

Statischer Auftrieb

physikalisch] Der statische Auftrieb ist eine Kraft, die der Schwerkraft entgegen wirkt. Er entsteht, wenn sich ein Körper in einem Fluid (also einer Flüssigkeit oder einem Gas) befindet, es also verdrängt. Dieser Effekt wird mit dem Archimedischen Prinzip beschrieben.

Formel

F = \rho \cdot V \cdot g

. Dabei ist

V

das verdrängte Volumen,

\rho

ist die Dichte, also ist

\rho \cdot V

die verdrängte Masse, und

\rho \cdot V \cdot g

ihre Gewichtskraft. Das Archimedische Prinzip ist also erfüllt. Gleichwohl ist die 'verdrängte Masse'

m= \rho \cdot V

kein tatsächlicher Körper, sondern eine durch den verdrängenden Körper geprägte Verformung (V) der Flüssigkeit (relativ zu ihrem Oberflächen-spiegel), welcher eine virtuelle Dichte

\rho

zugemessen wird. Der Effekt ist also auch dann zu beobachten, wenn die vorhandene Flüssigkeit ein geringeres Volumen besitzt als der eingetauchte Teil des Schwimmkörpers.

Beispiele für statischen Auftrieb

- Ballons steigen auf, weil sie mit einem Traggas (meist Helium oder heiße Luft) gefüllt sind, das eine geringere Dichte hat, als die umgebende (kalte) Luft. Insgesamt haben alle Bestandteile des Ballons (inkl. Hülle, Korb etc.) zusammengerechnet eine geringere bzw. die gleiche Dichte, wie die der umgebenden Luft.
- Schiffe schwimmen auf dem Wasser, weil der in das Wasser eingetauchte Teil des Schiffes leichter ist als das verdrängte Wasser und das Gesamtgewicht des Schiffes dem Gesamtgewicht des von ihm verdrängten Wassers entspricht. Wegen der großen Lufträume hat ein Schiff trotz der schweren Baustoffe (Stahl etc.) eine geringere mittlere Dichte als Wasser. Schiffe befinden sich bei einem bestimmten Tiefgang in einem stabilen Gleichgewicht: Tauchen sie aufgrund von Störungen tiefer ein, vergrößert sich der Auftrieb und sie werden wieder emporgehoben, werden sie zu weit emporgehoben, verringert sich der Auftrieb, und die Schwerkraft läßt sie wieder eintauchen.
- U-Boote: Beim statischen Tauchen werden die Ballastzellen (oder -tanks) geflutet bzw. entlüftet. Wenn dynamische Effekte wie Strömungen oder Eigenfahrt fehlen, ist es möglich, ein U-Boot in rein statischem Tauchen durch korrekte Trimmung mittels Regel- oder Trimmzellen in einer bestimmten Tiefe zu halten. In der Praxis ist das aufgrund der wegen unterschiedlicher Salzgehalte schwankenden Wasserdichte allerdings sehr schwierig. Etwas einfacher wird es durch das Ausfahren des Sehrohrs über die Wasseroberfläche, wodurch ein U-Boot wie ein Überwasserfahrzeug in ein stabiles Gleichgewicht bezüglich der Tauchtiefe gebracht wird.

Dynamischer Auftrieb

Er entsteht, wenn der Körper sich relativ zum Gas oder zur Flüssigkeit bewegt. Die Kraft, die das Fluid (Gas oder Flüssigkeit) auf den Körper ausübt, besteht grundsätzlich aus zwei Komponenten: 1. der Widerstandskraft F_W (wirkt in Richtung der Anströmung), :

F_W = \frac \cdot \rho \cdot c_W \cdot A \cdot v^2.

:c_W = Widerstandsbeiwert (siehe auch: CW-Wert) :A = Fläche senkrecht zum Widerstandskraft(Querschnittfläche/Projektionsfläche) :

\rho

= Dichte des Mediums :v₁ = Anströmgeschwindigkeit 2. der dynamischen Auftriebskraft F_A (engl.: lift force, wirkt rechtwinklig zur Anströmung, wobei hier der Verständlichkeit halber keine Trägheitskräfte betrachtet werden, die im instationären Fall, z.B. im Seegang, zusätzlich vorkommen (hydrodynamische Massen)). :

F_A = \frac \cdot \rho \cdot c_A \cdot A \cdot v^2.

:c_A = Auftriebsbeiwert :A = Fläche, auf der der Auftrieb wirkt/Tragfläche :

\rho

= Dichte des Mediums :v₁ = Anströmgeschwindigkeit Im Gegensatz zum statischen Auftrieb ist die Richtung des dynamischen Auftriebs nicht durch "oben" und "unten" im Sinne der Schwerkraft definiert, sondern nur dadurch, wie Körper und Strömung zueinander orientiert sind. Dennoch nennt man ihn auch dynamischen Abtrieb, wenn er in Richtung der Gewichtskraft wirkt, also entgegengesetzt zum statischen Auftrieb. Dynamischer Auftrieb entsteht durch einen Druckunterschied zwischen gegenüberliegenden Seiten des umströmten Körpers. Der dynamische Auftrieb hängt von der Größe und Richtung der Anströmgeschwindigkeit relativ zum Körper ab. Beispiele für dynamischen Auftrieb:
- Tragflächen eines Flugzeugs
- Segel eines Segelboots
- Ruder eines Schiffes
- Tiefenruder eines U-Bootes
- Heckflügel eines Rennwagens
- der Rumpf eines Schiffes muss in der Kurve nach innen zeigen um Fliehkraft auszugleichen. Vom Prinzip her stört ein Profil bei dynamischem Auftrieb die Strömung so, als ob sich dort ein Wirbel befände, der sich auf der Saugseite mit der Anströmung dreht und auf der Druckseite entgegengesetzt dazu - nicht genug, um die Strömung umzukehren, die Luft dreht sich also nicht wirklich um eine Flugzeug-Tragfläche. Entscheidend für das Entstehen dieses Wirbels ist das Bilden eines Wirbels an der Tragflächenhinterkante, des sogenannten Anfahrwirbels. Durch Bewegung der Tragfläche aus der Ruhe heraus (Start) entsteht an der Hinterkante eine Instabilität der beginnenden Luftströmung und das Auftreten von Wirbeln. War die Strömung anfangs wirbelfrei (Ruhe), dann führt das zu einem Gegenwirbel, sodass die Gesamtrotation des Wirbelsystems (Zirkulation) unverändert bleibt (Satz von Thomson). Dieser Gegenwirbel sorgt dann für einen hinreichend großen Geschwindigkeitsunterschied von Strömungen auf der Ober- und Unterseite einer Tragfläche. Nach einer Gesetzmäßigkeit, die man den Helmholtz'schen Wirbelsatz nennt, kann ein Wirbelfaden nicht mitten in der Strömung plötzlich zu Ende sein. Der Wirbel, der ein Flugzeug trägt, setzt sich an beiden Enden der Tragflächen U-förmig nach hinten fort, als ein gewaltiges Wirbelpaar. Es ist am Flughafen von Rio de Janeiro schon vorgekommen, dass jemand verbotenenerweise ein gesperrtes Gelände am Flughafenzaun befahren hat und vom Wirbelpaar eines landenden Flugzeugs mit seinem Auto meterweit in die Luft geschleudert und schwer verletzt wurde - er kannte den Helmholtz'schen Wirbelsatz nicht. Beispiel für eine Kombination von statischem und dynamischen Auftrieb:
- Luftschiffe: Sie erzeugen statischen Auftrieb durch die Gasfüllung und dynamischen Auftrieb oder gegebenenfalls Abtrieb durch Motorenkraft (schwenkbare Propeller) und durch den Rumpf mit Hilfe der Steuerflächen.
- U-Boote: Als Dynamisches Tauchen bezeichnet man den Vorgang des Tauchens mit Hilfe des Antriebs und der Tiefenruder (Bug und Heck). Ohne dynamischen Auftrieb hat ein U-Boot immer eine Tendenz zum Steigen oder Sinken. Beim Alarmtauchen wird der Antrieb auf elektrisch und auf maximalen Schub (AK = äußerste Kraft) voraus geschaltet. Das Bugtiefenruder (z.B. 15°) nach unten gestellt und das Hecktiefenruder (z.B. 10°) nach oben gestellt. Dadurch entsteht eine extreme Neigung, die zusammen mit Antrieb und entlüfteten Ballasttanks ein schnelles Sinken bewirkt..

Abtrieb

Eine in Richtung der Schwerkraft wirkende Auftriebskraft wird bei bestimmten Anwendungen als Abtrieb bezeichnet. Abtrieb als die Kraft, mit der ein Körper auf den Boden gedrückt wird, spielt im Autosport eine wichtige Rolle, weil dort ein möglichst hoher Anpressdruck des Fahrzeuges auf die Straße erwünscht ist, um eine hohe Bodenhaftung und damit hohe Kurvengeschwindigkeiten zu erzielen. Abtrieb bezeichnet dabei den dynamischen Abtrieb durch aerodynamische Flächen, die bei Rennwagen Flügel genannt werden. Die im Automobilbau ebenfalls verwendeten Spoiler erzeugen keinen Abtrieb, sondern verhindern nur die Entstehung dynamischen Auftriebs, der durch die aerodynamischen Eigenschaften der Karosserieform erzeugt wird. Je höher der Abtrieb ist, desto mehr Stabilität hat man in Kurven. Man muss aber Geschwindigkeit auf den Geraden einbußen. Wenn mehr Geschwindigkeit auf Geraden erforderlich ist, verringert man den Abtrieb. Dabei verliert man an Stabilität in den Kurven.

Siehe auch

- Ballast
- Formschwerpunkt
- Auftriebsausgleich bei Luftschiffen
- Gesetz von Bernoulli das die Relation zwischen Druck und Geschwindigkeit darstellt.

Weblinks

- [http://www.walter-fendt.de/ph14d/auftrieb.htm Interaktives Experiment zur Größe der Auftriebskraft auf einen Körper, der in eine Flüssigkeit taucht]
- [http://www.physik.uni-muenchen.de/leifiphysik/web_ph08/m15_auftrieb.htm Versuche und Aufgaben zum Auftrieb]
- http://www.aeromodelling.de.vu (Ausführliche Beschreibung zum Thema Auftrieb bei Flugzeugen) Kategorie:Strömungslehre ja:揚力 minnan:Seng-le̍k

Strömungsabriss

Als Strömungsabriss (englisch: stall) bezeichnet man in der Aerodynamik die Ablösung der Luftströmung von der Oberfläche eines angeströmten Gegenstandes. In der Praxis sind darunter Tragflächen, Steuerungsflächen, Propeller, Rotorblätter oder im Triebwerksbereich auch Verdichterschaufeln gemeint. Dabei kann es sich gleichermaßen um die Ablösung einer laminaren, als auch einer turbulenten Strömung handeln. Zwei Ursachen sind dafür verantwortlich: # Vergrößerung des Anstellwinkels bis zu dem Wert, bei dem keine Auftriebserhöhung mehr stattfindet, bei dem also der maximale Auftriebsbeiwert Ca max erreicht wird. # Erhöhung der Geschwindigkeit an einem Unterschallprofil in den schallnahen Bereich. Dies wird in der Fachsprache als Highspeed Stall bezeichnet. Die Folge ist eine Verringerung des Auftriebs (beim Propeller: des Vortriebs). Rotor Der Pilot eines Starrflüglers kann einen Strömungsabriss gezielt herbeiführen, um bestimmte Manöver durchzuführen (z. B. Landung, Sackflug, Trudeln, Luftkampfmanöver). Die Auswirkung eines Strömungsabrisses hängt von der Beschaffenheit des Profiles und der Tragflächenkonstruktion ab. Bei Nutz-und Verkehrsflugzeugen wird bei der Konstruktion auf eine gutmütige „Stall-Charakteristik“ geachtet, damit bei unbeabsichtigtem Eintreten in den Stall keine abrupten Auftriebsverluste auftreten. Obwohl das Auftreten eines Strömungsabrisses in erster Linie vom Anstellwinkel abhängt, kann man diesem Winkel in der Praxis eine Geschwindigkeit zuordnen. Je geringer die Geschwindigkeit eines Flugzeuges wird, desto mehr muss der Anstellwinkel erhöht werden, damit das Flugzeug ohne an Höhe zu verlieren geradeaus fliegt. Will man zudem noch ohne Höhenverlust eine Kurve fliegen, muss der Anstellwinkel zusätzlich erhöht werden. Die Geschwindigkeit, bei der es im Geradeausflug zum Strömungsabriss kommt, nennt man Stall Speed. Die Geschwindigkeit, bei der es bei einer Querneigung von 40° zum Strömungsabriss kommt, nennt man Maneuvering Speed. Beim Highspeed Stall kommt es durch die für den schallnahen Geschwindigkeitsbereich typische Ausbildung einer Schockwelle zum Strömungsabriss hinter der Schockwelle. Sofern nicht extrem viel Energie zugeführt wird (zum Beispiel durch einen Sturzflug) beendet sich dieser Zustand von selbst, da die Schockwelle enormen Widerstand erzeugt und sich dadurch die Geschwindigkeit wieder reduziert. Abfluggewicht, Schwerpunktlage und Lufttemperatur haben Wirkung auf die "stall speed". Eisansatz am Boden oder während des Fluges an der Flügelvorderkante (dieser Bereich ist ganz besonders für die Auftriebsentwicklung verantwortlich) kann zu unerwartetem Strömungsabriss führen, da sich die Profilform der betroffenen Trag-oder Steuerungsflächen ändert. Ein unbeabsichtigter Strömungsabriss in Bodennähe kann fatale Folgen haben. Bei Drehflüglern (Hubschraubern) kann der Strömungsabriss zu einem plötzlichen Auftriebsverlust am Haupt- oder Heckrotor führen. Der Strömungsabriss kommt immer dann zu Stande, wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter zu groß gewählt ist, z. B. bei Überlastung der Maschine durch eine überschwere Last am Transporthaken oder durch falsche Flugtaktik im Gebirge. Nur geübte Piloten sind im Stande, solche Notfallsituationen zu meistern. Bei einigen Windenergieanlagen wird der Strömungsabriss zur Leistungsbegrenzung gezielt genutzt. Bei zu hoher Windgeschwindigkeit kann so ohne Verstellung der Rotorblätter (Pitchen) die Drehzahl des Rotors gesteuert werden. Kategorie:Aerodynamik ja:失速

Höhenruder

Das Höhenruder dient zur Drehung eines Flugzeuges oder auch Luftschiffes um seine Querachse. Beim Flugzeug verändert sich dadurch der Anstellwinkel der Tragfläche und damit der Auftrieb. Es handelt sich dabei im Regelfall um eine bewegliche Fläche am Heckleitwerk, die sich mittels des Steuerknüppels oder Steuerhorns um eine Querachse nach oben oder unten bewegen lässt. Das Höhenruder kann auch an anderen Stellen des Flugzeuges angebracht sein. Das Flugzeug der Gebrüder Wright war eine so genannte Canard-Konstruktion (Entenflügler) und hatte das Höhenruder vorn. Das Höhenruder wird durch Anbringung einer Trimmung, z.B. eines Trimmruders auch zur Längstrimmung eines Flugzeuges verwendet. Siehe auch: Flugsteuerung Kategorie:Flugsteuerung ja:エレベータ (飛行機)

Fluglage

Die Fluglage ist die Lage im dreidimensionalen Raum, die ein Luftfahrzeug gerade einnimmt. Sie ist von besonderer Bedeutung für die Flugsteuerung, da eine stabile Fluglage für den normalen Flug aufgrund der Aerodynamik nur innerhalb gewisser Grenzen eingenommen werden kann. Die Fluglage wird beschrieben über die drei Achsen, um die sich das Luftfahrzeug drehen kann. Die Schräglage im Kurvenflug überschreitet normalerweise nicht 30°, um unnötigen Luftwiderstand zu vermeiden; der Anstellwinkel liegt üblicherweise im Bereich von -5° und +10°. Der Schiebewinkel soll normalerweise Null sein, es sei denn, es handelt sich um einen Seitengleitflug. Seitengleitflug Beim Instrumentenflug (IFR) zeigt der künstliche Horizont die Fluglage an, so dass der Pilot – aber auch der Autopilot – das Flugzeug mit diesen Informationen sicher steuern kann. Für den Piloten ist es nicht immer möglich, die Fluglage ohne Instrumente einzuschätzen. Schlechte Sicht oder Dunkelheit kann den Blick zu Bezugspunkten auf dem Boden (z.B. Horizont) verhindern. Auch die durch Flugmanöver auf den Piloten einwirkenden Kräfte lassen keinen Rückschluss auf die Fluglage des Fluggerätes zu. Sollte das Flugzeug in eine unkontrollierte Fluglage kommen, kann es trudeln und muss vom Piloten wieder abgefangen werden. Im Kunstflug werden absichtlich extreme Fluglagen demonstriert. Kategorie:Flugsteuerung

Einstellwinkel

Bei Luftfahrzeugen ist der Einstellwinkel der Winkel zwischen der Längsachse (siehe: Flugsteuerung) des Flugzeugrumpfs und der Längsachse des Tragflügel-Profils. Dieser Winkel ist ein Konstruktionsmerkmal und anders als der Anstellwinkel bei heute üblichen Flugzeugkonstruktionen in der Regel nicht veränderbar. Nur bei wenigen Konstruktionen und dem Serienflugzeug Vought F-8 geschieht die Steuerung des Anstellwinkels über Änderungen des Einstellwinkels. Der Einstellwinkel für die Tragflügel wird bei der Konstruktion so gewählt, dass der Rumpf bei der am häufigsten zu erwartenden Fluglage der Strömung eine möglichst kleine Stirnfläche bietet und so einen möglichst geringen Luftwiderstand hat. Der Begriff Einstellwinkel wird auch für den Winkel zwischen Höhenleitwerk und Rumpflängsachse gebraucht. Der Einstellwinkel für die Tragflügel und der Einstellwinkel für das Höhenleitwerk ergeben zusammen die EWD (Einstellwinkeldifferenz). Diese bewegt sich in aller Regel (bei Modellflugzeugen) bei 1 bis 3 Grad. Gemessen wird der Winkel zwischen der Profilsehne (von Nasenleiste bis Endleiste) der Tragfläche zur gedachten Rumpflängsachse und des Höhenleitwerks zu derselben. Um eine gute Flugstabilität um die Querachse zu erreichen, erzeugt das Höhenleitwerk bei Flugzeugen in konventioneller Bauweise in Normalfluglage einen Abtrieb; aus diesem Grund ist der Einstellwinkel des Höhenleitwerks in der Regel kleiner als der der Tragflügel. Kategorie:Aerodynamik Kategorie:Flugsteuerung

Vorflügel

Vorflügel sind aerodynamische Klappen an der Vorderseite der Tragfläche eines Flugzeugs. Sie erhöhen den Auftrieb einer Tragfläche, indem das Profil mehr Wölbung erhält, und der maximale Anstellwinkel größer wird. Sie gehören zu den Auftriebshilfen. Das Flugzeug kann so bei gleichem Auftrieb deutlich langsamer fliegen, und z. B. auf einer kürzeren Landebahn landen oder starten. Man findet Vorflügel aus diesem Grund häufig an Flugzeugen mit STOL-Eigenschaften (Short Take Off and Landing). STOL Vorflügel werden meist in Kombination mit den an der Hinterkante des Tragflügels angebrachten Landeklappen verwendet. man unterscheidet:
- bewegliche Vorflügel (englisch: Slats), die ein- und ausgefahren werden
- feste Vorflügel (englisch: Slots), feste Spalte in der Vorderkante einer Tragfläche, die die gleichen Zweck haben, aber dauernd wirksam sind und dadurch die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeuges herabsetzen

Siehe auch

- Krügerklappe Kategorie:Aerodynamik

Auftriebshilfe

Eine Auftriebshilfe ist eine Vorrichtung an einer Tragfläche eines Flugzeuges, die dazu dient, in bestimmten Flugsituationen den Auftriebsbeiwert der Traglächen zu vergrößern. Auftrieb

Einsatz

Auftriebshilfen werden insbesondere während der Landung und des Starts, seltener auch im Steigflug und beim Manövrieren eines Flugzeugs benutzt. Nur in seltenen Fällen (siehe Douglas DC-8) werden sie auch während des Reisefluges eingesetzt. Ziel der Anwendung von Auftriebshilfen ist es vor allem, die Lande- und Startgeschwindigkeit und dadurch die Start- und Landestrecke zu verringern, im Steigflug Steigwinkel zu erhöhen und im Kurvenflug den Kurvenradius zu verringern. Auftriebshilfen erhöhen in unterschiedlichem Maße den Luftwiderstand des Flugzeuges und werden deshalb auch zur Herabsetzung oder Begrenzung der Fluggeschwindigkeit, insbesondere im Sinkflug, eingesetzt. Luftbremsen sind jedoch keine Auftriebshilfen. Die Hersteller des Flugzeuges legen für die Benutzung der Auftriebshilfen zulässige Höchstgeschwindigkeiten fest. Oberhalb einer bestimmten Geschwindkeit können Landeklappen typischerweise nicht mehr ausgefahren werden, weil der Stellantrieb nicht reicht, die aerodynamischen Kräfte zu überwinden. Bei noch höheren Geschwindkeiten, die auch vom augenblicklichen Ausfahrwinkel der Landeklappen abhängen, drohen sogar Beschädigungen der Klappen. Einige Flugzeuge verfügen daher über Landeklappen, die durch die aerodynamischen Kräft bei zunehmender Geschwindigkeit automatisch eingefahren werden (z. B. Grumman F4F).

Arten von Auftriebshilfen

Auftriebshilfen unterscheiden sich in Ihrem Aufbau und der Position am Flügel. Auftriebshilfen wirken entweder auf die Flügelwölbung, die Flügelfläche, auf die Grenzschicht der Luftströmung um einen Flügel oder durch Umlenkung des Triebwerksstrahls.

Auftriebshilfen an der Flügelvorderkante

Krügerklappe

Die Krügerklappe ist eine relativ einfache Einrichtung, die sowohl die Flügelwölbung, als auch die Flügelfläche verändert

Vorflügel

Krügerklappe Der Vorflügel ist ein ausfahrbarer oder starrer kleiner Flügel, der sich an der Vorderseite des Tragflügels befindet. Er lässt durch einen Luftspalt Luft von der Unterseite auf die Oberseite des Flügels und verhindert damit einen Strömungsabriss bei hohen Anstellwinkeln. Ist er beweglich ausgeführt, vergrößert sich gleichzeitig die Flügelfläche. Einige Flugzeuge verfügen über Vorflügel, die sich aufgrund der auf sie wirkenden aerodynamischen Kräfte selbsttätig ein- und ausfahren, wie es die Situation erfordert (z. B. Messerschmitt Bf 108).

Kippnase

Messerschmitt Bf 108 Bei der Kippnase wird die komplette Flügelnase nach unten abgewinkelt. Dadurch erhöht sich die Flügelwölbung. Sie wurde nur zeitweise in sowjetischen Flugzeugen sowie der Concorde eingesetzt.

Auftriebshilfen an der Flügelhinterkante

Landeklappe (auch Wölbklappe)

Concorde Eine Landeklappe, auch Flap genannt, ist die einfachste Form der Auftriebshilfe. Es ist eine ausfahrbare Verlängerung am hinteren Ende der Tragfläche. Sie erzeugt den beim Landeanflug notwendigen Auftrieb und ermöglich somit den (An-)Flug mit verminderter Geschwindigkeit des Flugzeugs. Bei Segelflugzeugen werden die Gleiteigenschaften durch optimale Einstellung der Wölbklappe zwischen der positiven Landestellung und der negativen Schnellflugstellung optimiert. Bei Kunstflugzeugen können die Landeklappen gleichsinnig mit dem Höhenruder ausgeschlagen werden (z. B. Hirth Acrostar), bei Segelkunstflugzeugen wurden sie sogar schon vollständig automatisch angesteuert. Klappen werden normalerweise auf beiden Seiten der Flügel im gleichen Winkel ausgefahren. Wenn sie jedoch mit dem Querruder gekoppelt sind, spricht man vom Flaperon. Bei einigen Flugzeugen werden beim Ausfahren der Landeklappen auch die Querruder gleichsinnig abgesenkt (z. B. Messerschmitt Bf 109).

Spaltklappe

Messerschmitt Bf 109 Bei der Spaltklappe wird wie bei der Landeklappe ein Ruder nach unten geklappt. Gleichzeitig gibt diese Bewegung jedoch einen Luftspalt frei, der Luft auf die Oberseite des Tragflügels lässt und so einen Strömungsabriss verhindert. Spaltklappen können so aufgebaut sein, dass sie bis zu drei Spalten freigeben. Bei der Spaltklappe wird die Tragflächenwölbung verändert.

Fowlerklappe

Strömungsabriss Bei der Fowlerklappe handelt es sich um eine Klappe, die unterhalb der Tragflügelhinterkante nach hinten gefahren und angestellt wird. Dadurch wird wie bei der Spaltklappe ein Luftspalt zwischen Oberseite des Flügels und Unterseite frei, die Tragflächenwölbung vergrößert sich. Zusätzlich wird aber auch die Flügelfläche vergrößert. Auch Fowlerklappen sind so ausgeführt worden, das sie bis zu 3 Spalte freigeben

Spreizklappe

Fowlerklappe Bei der Spreizklappe wird ein Teil des hinteren Flügelunterteils nach unten geklappt. Dadurch vergrößert sich die Flügelwölbung.

Junkers-Doppelflügel

Spreizklappe Beim Junkers-Doppelflügel befindet sich hinter dem eigentlichen Tragflügel noch ein zusätzlicher kleiner Flügel. Dadurch kann die Tragflächenwölbung vergrößert werden. Junkers-Doppelflügel können nicht nur als Auftriebshilfen, sondern auch als Steuerflächen (Querruder) eingesetzt werden (z. B. Junkers Ju 52/3m).

Andere

Durch eine Beeinflussung der Grenzschicht auf einem Tragflügel kann die Abreißgeschwindigkeit verringert und der maximale Anstellwinkel vergrößert werden. Dabei wird entweder ein Teil der Luftströmung auf der Flügelfläche abgesaugt, oder durch ein Gebläse Luft auf die Tragflächenoberseite eingeblasen.

Steuerung und Antrieb

Auftriebshilfen an der Flügelvorderkante arbeiten zum Teil automatisch in Abhängigkeit vom Anstellwinkel und der Fluggeschwindigkeit. Sonstige Auftriebshilfen werden vom Piloten oder der Fly-by-wire-Steuerung gezielt eingesetzt oder sind zwingender Teil des Landeverfahrens. Der Antrieb von Landeklappen erfolgt meist manuell, hydraulisch, pneumatisch oder elektrisch.

Geschichte

Auftriebshilfen wurden Ende der 1920er Jahre eingeführt, als die Flugzeuge Geschwindigkeiten jenseits der 300 km/h erreichten. Mit den dadurch notwendigen dünnen Flügelprofilen wuchs die Start und Landegeschwindigkeit so stark an, das ein Landen für den normalen Piloten auf den damals noch häufig unbefestigten Flugplätzen zu einem Risiko wurde.

Siehe auch

Auftrieb, Tragfläche, Profil (Flügel), Flügelfläche, Anstellwinkel, Strömungsabriss, Landeanflug, STOL Kategorie:Aerodynamik Kategorie:Luftfahrttechnik

Windenergieanlage

Eine Windenergieanlage (WEA) wandelt Windenergie in elektrische Energie um und speist diese zumeist in das öffentliche Stromnetz ein. Dies geschieht, indem die kinetische Energie des Windes den Rotor in eine Drehbewegung versetzt, welche an einen Generator weitergegeben und dort in elektrischen Strom umgewandelt wird. Im allgemeinen Sprachgebrauch und zum Teil auch in der Fachliteratur hat sich ebenfalls der Begriff Windkraftanlage (WKA) etabliert, manchmal wird auch Windkraftwerk verwendet. Dieser Artikel befasst sich mit den leistungsstarken Windenergieanlagen, die häufig in Windparks zur Stromerzeugung errichtet werden. Weitere Anwendungen werden unter Windrad und Klein-Windkraftanlage erläutert. Die Stromerzeugung durch Nutzung des Aufwindes mittels hoher Türme erfolgt in Thermikkraftwerken. Thermikkraftwerk

Geschichte der Windenergieanlagen

Hauptartikel: Geschichte der Windenergienutzung Die heutigen Windenergieanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik und dem Wissen über die Aerodynamik. Die ersten Anlagen zur Stromgewinnung sind Ende des 19. Jahrhunderts entstanden. 1920 zeigte Albert Betz, dass physikalisch bedingt nur maximal 59,3 % der Energie des Windes nutzbar sind. Seine Theorie zur Formgebung der Rotorblätter ist auch heute noch Grundlage für die Auslegung der Anlagen. Anfang der 1980er Jahre setzte sich das Dänische Konzept bei Windenergieanlagen durch. Im Gegensatz zu anderen Versuchsanlagen, wie beispielsweise GROWIAN setzte man hier auf eine einfache Konstruktion mit der heute allgemein üblichen horizontalen Rotationsachse und drei luvseitigen Rotorblättern, um so robuste Anlagen zu erhalten, deren Größe erst nach und nach immer weiter anstieg. In Dänemark wurden damals die Grundlagen für die moderne Windenergienutzung gelegt. Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 begann der Aufschwung der Windenergie auch in Deutschland. In den letzten Jahren des 20. Jahrhunderts sorgten die politischen Rahmenbedingungen für einen Boom der Windenergieanlagenhersteller und förderten die industrielle Fertigung. Die Entwicklung führte zu immer größeren Anlagen mit verstellbaren Rotorblättern und variabler Drehzahl, aber auch zu politischen Auseinandersetzungen zwischen Investoren, Gegnern und Befürwortern der Windenergienutzung. Mit dem Nachfolgegesetz, dem Erneuerbare-Energien-Gesetz, setzte sich diese Entwicklung fort. Nach den Daten für das Jahr 2004 ist in Deutschland die weltweit größte Nennleistung installiert und erzeugt mehr elektrischen Strom aus Windenergie als aus Wasserkraft. Auch bei der Produktion der Anlagen und der Anlagenteile gehört Deutschland zu den Technologie- und Weltmarktführern. Die Marktführerschaft bei neu installierten Windenergieanlagen ging 2004 erstmals an Spanien.

Grundlagen und Energiewandlung

Energie des Windes

Hauptartikel: Windenergie Die kinetische Energie des Windes steigt mit der dritten Potenz seiner Geschwindigkeit. Dies liegt daran, dass die kinetische Energie linear mit der Luftdichte (Masse pro Volumeneinheit) und mit der zweiten Potenz der Geschwindigkeit ansteigt. Bei steigender Luftgeschwindigkeit strömt noch zusätzlich pro Zeiteinheit mehr Masse durch die vom Rotor überstrichene Fläche. Dieser Massenstrom der Luft steigt linear mit ihrer Geschwindigkeit, was im Endeffekt zu einer Proportionalität der Windenergie zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit führt. Die im Wind enthaltene Energie

E

bei einer Windgeschwindigkeit

v

und Luftdichte

\rho

, die senkrecht durch die kreisförmige Rotorfläche mit Radius

r

einer Windenergieanlage mit horizontaler Achse in der Zeit

t

strömt, ist durch folgenden Formel gegeben:

E =  r^2 \cdot \rho  \cdot v^3 \cdot t

Aufgrund des starken Anstiegs der Windenergie bei zunehmender Windgeschwindigkeit sind windreiche Standorte besonders interessant. Bei einer Luftdichte von 1,22 kg/m³, einer Windgeschwindigkeit von 8 m/s (≈Windstärke 4 Bft) und einem Rotordurchmesser von 100 m beträgt die kinetische Energie der innerhalb einer Sekunde durch die Fläche des Rotorkreises strömenden Luft 2,45 Megajoule. (1MJ/s = 1 Megawatt).

Wirkungsgrade

Hauptartikel: Betzsches Gesetz Die Effizienz mit der die Energie des Windes auf den Rotor übertragen wird, ist für eine WEA eine wichtige Kenngröße. Durch die dem Luftstrom entnommene kinetische Energie sinkt die Windgeschwindigkeit am Rotor. Der Wind kann jedoch nicht bis zum Stillstand abgebremst werden, da sonst keine weitere Luft mehr nachströmen könnte. So können theoretisch nur bis zu maximal 59,3 % der im Wind enthaltenen Energie entnommen werden. Dieser Wert wird nach dem Physiker, der ihn ermittelte, Betzscher Leistungsbeiwert (

c_

) genannt. Bei einer im Wind enthaltenen Leistung (Leistung = Energie/Zeit) von P = 2,45 MW errechnet sich eine theoretisch nutzbare (maximale) Leistung P_n am Rotor von:

P_n = 0593 \cdot 245\ \mathrm = 147\ \mathrm

. Wie bei allen Maschinen kann auch bei Windenergieanlagen das theoretische Maximum nicht erreicht werden. Moderne Windenergieanlagen kommen auf einen Leistungsbeiwert von

c_

= 0,4 bis 0,5. Der aerodynamische Wirkungsgrad einer Anlage kann über das Verhältnis des Leistungsbeiwertes der Maschine zum Betzschen Leistungsbeiwert ausgedrückt werden und liegt demnach bei etwa 70 % bis 85 % je nach Windverhältnissen und Auslegung. Zur Berechnung der tatsächlich produzierten Energie müssen zusätzlich noch die Wirkungsgrade aller mechanischen und elektrischen Maschinenteile im Gesamtwirkungsgrad berücksichtigt werden.

Rotorgeschwindigkeit

Eine weitere wichtige Kennzahl ist die sog. Schnelllaufzahl

\lambda

(lambda). Sie gibt das Verhältnis der Umfangsgeschwindigkeit des Rotors (Blattspitzengeschwindigkeit) zur Windgeschwindigkeit an. Dreiblattrotoren, wie sie heute bei großen Anlagen Standard sind, erreichen bei einer Schnelllaufzahl von 7 bis 8 den größten Wirkungsgrad. Durch den Betriebspunkt mit dem höchsten Leistungsbeiwert und der Auslegungsschnelllaufzahl ergibt sich auch die Auslegungswindgeschwindigkeit.

Auftriebsläufer

Schnelllaufzahl Moderne Windenergieanlagen zur Stromerzeugung sind aerodynamisch angetriebene Anlagen. Bei ihnen sind die Rotorblätter als aerodynamisches Profil ausgeprägt, das ähnlich wie bei Flugzeugen durch einen Druckunterschied, der aus einem Geschwindigkeitsunterschied zwischen Saug- und Druckseite des Flügels herrührt, einen Auftrieb erzeugt. Dieser Auftrieb wird in ein Drehmoment und in Drehzahl zum Antrieb des Generators umgesetzt. Nur mit Auftriebsläufern können hohe Wirkungsgrade, die den Werten der Betzschen Theorie nahe kommen, erreicht werden. Die Regelung der Rotordrehzahl erfolgt entweder über den so genannten Stalleffekt (Strömungsabriss), oder über eine Veränderung des Anstellwinkels des Rotorblattprofils (Pitchen; von Englisch to pitch = neigen). Weitere Informationen dazu weiter unten im Abschnitt Drehzahlregelung.

Rotorblattanzahl

Bei großen Windenergieanlagen haben sich luvseitige Dreiblattrotoren etabliert (Dänisches Konzept). In der Aufbruchszeit, etwa seit Mitte der 1970er Jahre bis weit in die 1980er Jahre hinein, wurden auch größere Anlagen mit einem (z. B. Monopteros) oder zwei Rotorblättern gebaut. Diese Anlagen haben eine noch höhere Schnelllaufzahl (bis zu 15 min^-1). Anlagen mit mehr als drei Rotorblättern wurden nur in sehr kleinen Bauformen entwickelt. Dreiblattrotoren sind schwingungstechnisch einfacher beherrschbar als Ein-, Zwei-, oder Vierblattrotoren. Wenn ein Rotorblatt vor dem Turm durchläuft, nimmt es durch den Luftstau vor dem Turm (luvseitiger Windschatten) für einen Moment deutlich weniger Energie auf, weshalb die Rotorachse ungleich belastet wird. Ein linear gegenüberliegendes Blatt würde diese Kippkraft noch verstärken und erhöhte Anforderungen an Mechanik und Material stellen. Hinzu kommt, dass die Windgeschwindigkeit mit zunehmender Höhe steigt, sodass ein Rotorblatt in der oberen Position ohnehin mehr Kraft aufnimmt. Bei den heute üblichen Rotordurchmessern ist dieser Effekt bereits sehr ausgeprägt und muss bei der Statik einer WEA berücksichtigt werden. Im Sinne einer möglichst gleichmäßigen Druckbelastung von Achse und Turm sind Rotoren mit einer geraden Zahl Rotorblätter oder gar einem einzigen Blatt somit ungünstig - ein großer Zweiblattrotor muss zur Dämpfung des Windschatteneffekts senkrecht schwenkbar ausgeführt werden (Taumelrotor). Fünf oder sieben Blätter würden zwar die Auswirkungen des Windschatteneffekts reduzieren, jedes weitere zusätzliche Blatt bedeutet aber Mehraufwand, auch bei der Gesamtkonzeption, der nicht immer durch zusätzlichen Ertrag der Anlage wieder eingebracht werden kann. Eine sehr hohe Blattanzahl führt daneben zu aerodynamischen Zuständen, die sich nur schwer mathematisch beschreiben lassen, da sich die Luftströmungen an den Blättern dann gegenseitig beeinflussen.

Widerstandsläufer

Parallel zu den Auftriebsläufern gibt es schon wesentlich länger die so genannten Widerstandsläufer. Bei diesen wird die Widerstandskraft zum Antrieb genutzt, der ein umströmter Körper ausgesetzt ist. Die Kraft wirkt in Richtung der Anströmung und nicht senkrecht zur Anströmung wie die bei Auftriebsläufern genutzte Auftriebskraft. Ein Beispiel für einen Widerstandsläufer ist das zur Windmessung verwendete Schalenkreuzanemometer. Widerstandsläufer haben einen schlechten Wirkungsgrad. Sie können theoretisch nur Leistungsbeiwerte bis

c_p = 0,2

, also etwa ein Drittel des Betzschen Leistungsbeiwertes erreichen. Die realen Beiwerte liegen hier noch niedriger.

Leistung und Ertrag

Bei Nennwindgeschwindigkeit gibt eine WEA ihre Nennleistung ab. Sie wird manchmal auch als installierte Leistung bezeichnet. Diese ist immer größer als die Auslegungswindgeschwindigkeit und liegt meist zwischen 12 m/s und 16 m/s (Windstärke 6–7 Bft). Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird die Leistung der Anlage konstant gehalten, da sonst die Belastungen auf alle Anlagenkomponenten weiter steigen und zu Überlastungen führen würden. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (Sturm) wird die Anlage abgeschaltet, um Schäden zu vermeiden. Da der Wind keine konstante Größe ist, kann aus der Nennleistung nicht ohne weiteres auf den zu erwartenden Jahresertrag, also die von der WEA in das Stromnetz eingespeiste Strommenge, geschlossen werden. Hierzu müssen die lokalen Gegebenheiten des Windes, also Windstärke und Häufigkeitsverteilung, und Eigenschaften der WEA bekannt sein. Mit Hilfe eines Windgutachtens können die lokalen Windeigenschaften, einschließlich der zu erwartenden Unsicherheiten, routinemäßig ermittelt werden. Zur Abschätzung des Jahresertrages wird für den Standort der WEA die so genannte mittlere Windgeschwindigkeit angegeben. Sie ist ein Durchschnittswert der über das Jahr auftretenden Windgeschwindigkeiten. Die untere Grenze für einen wirtschaftlichen Betrieb einer Anlage liegt, abhängig von der Einspeisevergütung, bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von etwa 5-6 m/s. Dabei sind jedoch auch noch weitere Faktoren zu berücksichtigen. Einrichtungen, die den Wind von einer größeren Fläche auf die Rotorfläche bündeln, sogenante Windkonzentratoren, haben in den modernen Megawatt-Windenergieanlagen keinen Eingang gefunden. Es gibt sie allerdings bei einigen Kleinwindanlagen und als Forschungsanlagen. Eine gängige Form der Windkonzentration ist jedoch durch die günstige Wahl des Standortes möglich. So erreicht der Wind an Berghängen (Aufwind) oder in bestimmten Talformen höhere Geschwindigkeiten als in der Umgebung und kann somit in diesen natürlichen Windkonzentratoren besser genutzt werden.

Bauformen

Zur Stromerzeugung haben sich heute Windenergieanlagen mit horizontaler Rotationsachse durchgesetzt. Die häufig der Vollständigkeit halber aufgeführte Bauform des Flettner-Rotors hat für die stationäre Windenergienutzung keine Bedeutung.

Horizontale Rotationsachse

Flettner-Rotor Windenergieanlagen mit horizontaler Rotorachse müssen der Windrichtung nachgeführt werden. Die Gondel ist mit einem so genannten Azimutlager horizontal drehbar auf dem Turm angebracht. Die Windrichtung wird bei großen Anlagen über die Windrichtungsgeber ermittelt. Die Ausrichtung des Rotors in den Wind erfolgt dann mittels Stellmotoren. Man unterscheidet, ob sich der Rotor auf der dem Wind zugewandten Seite (Luvläufer) oder auf der dem Wind abgewandten Seite (Leeläufer) des Turmes befindet. Ein Vorteil von Leeläufern ist, dass (bei kleinen Anlagen) auf einen Windnachführungsmechanismus verzichtet werden kann. Der Wind dreht den Rotor automatisch in die richtige Richtung und sorgt für eine sogenannte passive Windnachführung. Leeläufer haben den weiteren Vorteil, dass die Gefahr einer Rotorblattberührung mit dem Turm deutlich geringer ist, jedoch konnten sie sich bei großen Anlagen nicht durchsetzten, da es zu Unstetigkeiten in der Rotordrehzahl und zu mechanischen Schwingungserscheinungen und elektrischen Schwankungen kommt (Oberwellen), wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes durchquert und damit kurz das Antriebsdrehmoment schwankt.

Vertikale Rotationsachse

Windschatten Windenergieanlagen mit vertikaler Rotationsachse unterscheidet man in
- Savonius-Rotor oder
- Darrieus-Rotor Diese Typen fanden trotz einiger konstruktiver Vorteile, mit Ausnahme von Windgeschwindigkeitsmessgeräten, so genannten Schalenkreuzanemometern (Savonius-Rotor), nur wenig Verbreitung. Die Ursache dafür liegt neben dem geringeren Wirkungsgrad auch im Betriebsverhalten (z.B. kein Selbstanlauf beim Darrieus-Rotor).

Technik von Windenergieanlagen

Da im wesentlichen nur Windenergieanlagen mit horizontaler Rotationsachse gebaut werden, beschränkt sich dieser Abschnitt auf Anlagen dieser Bauform.

Bestandteile einer Windenergieanlage

Schalenkreuzanemometern Eine Windenergieanlage besteht im wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern, einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe (außer Enercon) beherbergt. Sie ist drehbar auf einem Turm gelagert, dessen Fundament die notwendige Standsicherheit gibt. Dazu kommen die Überwachungs- Regel- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik in der Maschinengondel und im Fuß des Turmes oder außerhalb.

Rotorblätter

Die Rotorblätter sind elementarer und prägender Bestandteil einer WEA. Mit ihnen wird die Windenergie aus der Luft entnommen und dem Generator zugeführt. Sie sind für einen Teil der Betriebsgeräusche verantwortlich. Deshalb werden sie nicht nur laufend auf einen höheren Wirkungsgrad, sondern auch auf Geräuschminderung hin optimiert. Die Rotordurchmesser bei den heute üblichen Anlagengrößen liegen etwa zwischen 40 und 90 m. Moderne Rotorblätter bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise mit Versteifungsholmen oder -stegen im Inneren hergestellt. Auch Kohlenstofffasern haben bereits bei einigen Herstellern Eingang in die Fertigung gefunden. Die Rotorblätter sind mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet, das die Entladung an die Erdung des Maschinenhauses abgibt. Ein mögliches Phänomen an den Blättern ist Eisbildung. Sie führt zu einer Wirkungsgradminderung, da sie die Form und damit das aerodynamische Profil der Blätter verändert. Auch Unwucht des Rotors ist eine Folge. Abfallende Eisbrocken stellen eine mögliche Gefährdung unterhalb der Rotorblätter und in der näheren Umgebung dar. Eisabfall wurde schon mehrfach dokumentiert, jedoch keine Personen- oder Sachschäden, da der Abfall wegen der verschlechterten Aerodynamik nur bei geringer Dehrzahl oder im Trudelbetrieb nach Eisabschaltung auftritt. Eisbildung tritt jedoch nur selten und nur bei bestimmten Wetterlagen auf. Die Anlagen schalten sich bei Eisansatz automatisch ab, der in der Regel durch eine Änderung der intern aufgezeichneten Leistungskurve (Leistung und Wind passen wegen schlechterer Aerodynamik nicht mehr zusammen), Beobachtung der Temperatur und / oder Unwucht am Rotor. Die Rotorblätter einiger Firmen können mit einer Rotorblattheizung ausgerüstet werden. Diese soll Eisansatz an Blättern vermindern, beziehungsweise das Abtauen beschleunigen. Die Heizung hat eine Leistung im ein- bis zweistelligen Kilowattbereich/Rotorblatt, was dennoch gering ist gegenüber der eingespeisten Leistung (mehrere hundert bis zu tausende Kilowatt).

Maschinenstrang

Für die elektromechanische Energieumwandlung werden Drehstromgeneratoren, asynchroner und synchroner Bauart, eingesetzt. Die Drehzahl des Generators kann konstant, zweistufig (niedrige und hohe Windgeschwindigkeit) oder stufenlos verstellbar sein. In der Industrie haben sich verschiedene Varianten von Asynchrongeneratoren und für stufenlos verstellbare Generatoren auch Synchrongeneratoren, durchgesetzt. Die einfachste Art einen Asynchrongenerator zu betreiben, ist ihn auf nur eine Geschwindigkeit hin auszulegen. Bei einer Polpaarzahl von z.B. 2 (gleich vier Pole) ergibt sich mit der Netzfrequenz von 50 Hertz eine Drehfelddrehzahl von 1500 U/min. Wenn die Läuferdrehzahl (Drehzahl des vom Getriebe übersetzten Rotors) über der Drehfelddrehzahl liegt, dann ist die Asynchronmaschine im Generatormodus und wenn sie darunter liegt, dann arbeitet sie als Motor. Im Volllastbetrieb kann man im Generatormodus mit einer Läuferdrehzahl von z. B. 1515 U/min rechnen (Drehfelddrehzahl in U/min = 60 · Frequenz in Hz / Polpaarzahl). HertzBei einer Asynchronmaschine mit zwei festen Drehzahlen, gibt es die Möglichkeit die WEA wahlweise mit zwei oder drei Polpaaren zu betreiben. Damit liegen die Drehfelddrehzahlen bei 1500 U/min und 1000 U/min. Der Vorteil besteht darin, dass so der Generator sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Windgeschwindigkeiten mit hohem Wirkungsgrad arbeiten kann. Die Konstruktion von Synchrongeneratoren erlaubt eine wesentlich höhere Polpaarzahl von z. B. 36. Deshalb kann bei deren Einsatz auf ein vorgeschaltetes Getriebe verzichtet werden. Die einfachsten Varianten eines Asynchrongenerators kommen heute in der Regel nicht mehr zum Einsatz, sondern solche, die über einen weiten Drehzahlbereich einen hohen Wirkungsgrad zeigen, wie beispielsweise doppelt gespeiste Asynchronmaschinen mit Schleifringläufer und läuferseitigem Frequenzumrichter. Dieses variable Verhalten weist ebenfalls der Synchrongenerator auf. Er hat als weiteren Vorteil, dass er mit Drehzahlen in der Größenordnung der Drehzahl des Rotors betrieben werden kann. Damit kann das Getriebe entfallen, was mit einem sehr großen Generatordurchmesser, der nennleistungsabhängig zwischen ca. 3 und 10 m (Enercon E-112) schwankt, sowie höherem Gewicht erkauft wird. Die mit der Drehzahl schwankende Frequenz der erzeugten Spannung wird gleichgerichtet und dann über einen Wechselrichter mit der gewünschten Spannung und Frequenz ins Netz gespeist. Durch die Entkoppelung von Generator und Einspeisung erreichen die Anlagen eine sehr gute Netzverträglichkeit. Der Generator und ein eventuelles Getriebe werden auf Lebensdauer, Gewicht, Größe, Wartungsaufwand und Kosten optimiert. Ein weiterer Parameter ist die Polpaarzahl des Generators, womit das Übersetzungsverhältnis eines eventuellen Getriebes festgelegt ist. Die Art der Bremse hängt von der Wahl der Rotorblattsteuerung ab. Bei Anlagen mit Stallregelung muss die Bremse in der Lage sein, die gesamte Bewegungsenergie des Rotors und des Generators im Notfall aufzunehmen. Sie muss deshalb sehr leistungsfähig sein. Teilweise wird sie auch als Betriebsbremse eingesetzt, um die Rotordrehzahl bei Windböen innerhalb der Toleranzen zu halten. Hierzu kommen meist große Scheibenbremsen zum Einsatz. Anlagen mit aktiver Stallregelung und Pitchregelung können die Rotorblätter aus dem Wind drehen und aerodynamisch abbremsen. Eine mechanische Bremsanlage fällt dann kleiner aus, oder kann sogar ganz entfallen. Alle Anlagen müssen mit zwei voneinander unabhängigen Bremssystemen ausgerüstet sein. Dazu zählen auch unabhängig voneinander verstellbare Rotorblätter. Zertifizierungsgesellschaften, wie z. B. der Germanische Lloyd, setzen Vorgaben fest für die Teile des Antriebsstranges in Bezug auf Geräusche, Schwingungsverhalten und Lastprofile. Dies ist von großer Bedeutung, da diese Teile außergewöhnlichen Beanspruchungen unterliegen.

Elektrik/Elektronik/Einspeisung

Die elektrische Ausrüstung lässt sich in den Generator, in das System zur Netzeinspeisung und das Steuer- und Überwachungssystem für den Anlagenbetrieb, unterteilen. Bei älteren drehzahlstarren Anlagen ist der Generator, teils mit Zwischentransformator zur Spannungsanpassung, direkt an das öffentliche Stromnetz gekoppelt. Er läuft ebenfalls mit Netzfrequenz. Bei modernen drehzahlvariablen Anlagen mit Synchrongenerator (z. B. von Enercon) schwankt der vom Generator erzeugte Wechselstrom in Frequenz und Betrag ständig. Deshalb wird er mit einem Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt, gefiltert und in einem Wechselrichter wieder in Wechselstrom zurück verwandelt. Bei einem Asynchrongenerator braucht man eine Vorrichtung zur Blindleistungskompensation, die parallel zum Generator geschaltet wird. Bei beiden Generatorvarianten wird die Spannung zuletzt auf das Netzanschlussniveau transformiert und die WEA zusammen mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung des eingespeisten Stroms ans Stromnetz angeschlossen. Einspeisungen von Windenergieanlagen in das Bahnstromnetz wurden bisher nicht realisiert. Der oft befürchtete "Stromüberlauf", also eine Spannungsüberhöhung im Stromverbundnetz durch deutlich höhere eingespeiste als abgenommene Leistung, wird von neueren Anlagen durch Herabregeln der Einspeiseleistung verhindert. Diese Anlagen sind in der Lage, Spannung und Frequenz im Verbundnetz zu stützen. Außerdem werden die Netzkapazitäten langsam den neuen Stromanbietern angepasst. Neuere Windparks sind auch in ihrer Gesamtheit regelbar. Ein weiterer wichtiger Teil ist die Sensorik zur Anlagensteuerung und -überwachung. Die Windenergieanlagen besitzen eine permanente Überwachung ihrer mechanischen Komponenten, um Veränderungen zu erkennen und Schadensereignissen durch rechtzeitige Maßnahmen vorbeugen zu können (z. B. mittels Schwingungsdiagnose). Die Versicherer von Windenergieanlagen fordern solche Fernüberwachungs- oder auch Condition-Monitoring-Systeme, wenn die Anlagen günstig versichert werden sollen. Die Anlagen sind an ein Ferndiagnosenetz angeschlossen, das alle Werte und Betriebszustände und eventuelle Störungen an eine Zentrale übermittelt. Von dort aus werden auch alle Wartungsarbeiten koordiniert. Die wichtigsten Kenndaten einer WEA können in speziellen Internet-Portalen den Eigentümern zur Ansicht gestellt werden. Es gibt auch Systeme, die die Eigentümer zusätzlich beim Anfahren, Abschalten oder bei Störungen per SMS informieren.

Turmvarianten

Der Turm, auf den die bis zu mehreren hundert Tonnen schwere Maschinengondel aufgesetzt wird, ist ein hochbelastetes technisches Bauteil. Er muss unter allen Betriebsbedingungen den Schwingungen der Gondel und den auftretenden Windkräften sicher widerstehen. Die Berechnung der Türme erfolgt für die vorgesehene Lebensdauer der Anlage. Vorhandene Türme können daher nach Ablauf der Lebensdauer in aller Regel nicht weiter als Träger für moderne Anlagengenerationen genutzt werden. Die Höhe des Turmes ist ein entscheidender Faktor für den Ertrag einer WEA, da in höheren Luftschichten die durch Bodenrauhigkeit (Bebauung und Flora) hervorgerufen Turbulenzen wesentlich verringert sind und somit der Wind konstanter und stärker weht. Während an Küstenstandorten schon relativ kleine Türme ausreichen, werden speziell im Binnenland vor allem hohe Türme aufgestellt. Die Hersteller bieten meist verschiedene Turmhöhen und Varianten für die gleiche Anlage an. Bei kleineren Anlagen (bis ca. 500 kW) wurden zum Teil Türme mit Außenaufstieg, also einer Leiter außen am Turm, verwendet. Dies erlaubte eine schlankere Gestaltung der Türme, da dann das Innere nicht begehbar sein musste. Größere Anlagen werden, mit Ausnahme von Gittermasten, grundsätzlich innerhalb des Turmes bestiegen. Große Türme (über 80 m) haben im Inneren in aller Regel einen Fahrkorb oder Aufzug, der den Aufstieg erleichtert. Daneben gibt es oft auch noch eine Materialwinde. Materialwinde]
- Stahltürme bestehen meist aus zwei bis vier Segmenten, die mit Flanschverbindungen verschraubt werden. Die Wandstärken betragen etwa 20 bis 40 mm. Auch das Verschweißen von Segmenten auf der Baustelle wird getestet. Die 100-m-Türme werden danach in einem Stück aufgerichtet und mit dem Fundament verschweißt. Vorteil dieser Variante ist der Wegfall der Flanschverbindungen. Es handelt sich jedoch noch um Prototypen.
- Betonturm in Gleitschalung (auch Ortbeton-Turm genannt, da der Turm "vor Ort" gebaut wird und der Beton von einem regionalen Zulieferer kommt)
- Betonturm in Fertigteilbauweise. Die Elemente werden auf der Baustelle aufeinandergesetzt und mit Stahlseilen in der Wandung verspannt.
- Gittermast Beispiele für Turmhöhen in Bezug auf Rotordurchmesser und Nennleistung:
- etwa 40 m Rotordurchmesser etwa 500 bis 600 kW Nennleistung, etwa 40 bis 65 m Nabenhöhe
- etwa 70 m Rotordurchmesser etwa 1,5 bis 2 MW Nennleistung, etwa 65 bis 114 m Nabenhöhe
- etwa 112-126 m Rotordurchmesser etwa 4,5 bis 5 MW Nennleistung, etwa 120-130 m Nabenhöhe

Fundamentvarianten

- Beim Tellerfundament bildet ein großer Stahlbetonteller den Fuß der Anlage. Er befindet sich unter einer Erdschicht und ist eine der am häufigsten angewandten Fundamentvarianten.
- Bei einer Pfahlgründung werden die Fundamentplatten (Tellerfundamente) mit Pfählen im Erdboden verankert.
- Tripod (Offshore) Die Anlage wird auf einen dreibeinigen Fuß gestellt.
- Bucket-Fundament (Offshore)
- Monopile (Offshore, pile: englisch für Pfahl, Pfosten) Dabei wird ein einzelner Mast im Erd- bzw. Seeboden versenkt.
- Schwerkraftfundamente (Offshore) werden beispielsweise in der Form von großen Betongewichten auf dem Seeboden abgelegt, die so schwer und stabil sind, dass sie die Kräfte der WEA ohne weitere Verankerungen am Seeboden aufnehmen.

Sonderausstattungen

Bei einer versicherten WEA ist in der Regel eine Feuerlöschanlage vorhanden, um Brände in der Mechanik und Elektronik bekämpfen zu können. Im Windpark Holtriem bei Westerholt gibt es eine WEA von Typ E-66, die mit einer Aussichtsplattform ausgerüstet ist. Über eine Innenwendeltreppe mit 297 Stufen gelangen die Besucher zum verglasten Aussichtsrondell in 65 m Höhe unter dem Maschinenhaus. Vier baugleiche WEA stehen bei Aachen, nahe der Messe Hannover, in Österreich und in Großbritannien. Manche Windenergieanlagen dienen auch als Standort für Sendeantennen von Funkdiensten mit kleiner Leistung im Ultrakurzwellen-Bereich, wie den Mobilfunk.

Offshoreausrüstung

Windenergieanlagen auf dem offenen Meer sind, wie alle Offshore-Installationen durch die aggressive, salzhaltige Meeresluft stark korrosionsgefährdet. Daher müssen zusätzliche Maßnahmen zum Schutz ergriffen werden. Dazu zählt unter anderem die Verwendung meerwasserbeständiger Werkstoffe, Verbesserung des Korrosionsschutzes und die vollständige Kapselung bestimmter Baugruppen. Zum Aufbau, beim Austausch von Komponenten und bei der Wartung vor Ort benötigen Offshore-Windenergieanlagen einige Änderungen in der Konstruktion. So muss die komplette Anlage auf im Durchschnitt höhere Windgeschwindigkeiten (andere Windklasse) ausgelegt sein, was z. B. eine entsprechende Konstruktion des Rotors notwendig macht. Wenn der Rotor die höheren Windgeschwindigkeiten ausregelt, kann zwar von der größeren Beständigkeit des Windangebots, aber nicht vom stärkeren Wind profitiert werden. Ein weiteres Standortproblem sind die Schwingungen, zu denen eine WEA durch die See angeregt werden kann. Unter ungünstigen Bedingungen können sie selbstverstärkend wirken, so dass ihr Auftreten ebenfalls in der Konstruktion und Betriebsführung berücksichtigt werden muss. Da deutsche Windenergieanlagen nicht in der Nähe der Küste, sondern in der Regel in der Ausschließlichen Wirtschaftszone des deutschen Festlandsockels weit draußen in tiefem Wasser geplant werden (siehe auch Seerecht), muss der Zugang zu den Anlagen z. B. mit einem Hubschrauber ermöglicht werden. Auch der Transport der erzeugten elektrischen Energie, bis zum Einspeisepunkt an der Küste, bedarf gesonderter Vorkehrungen. Man benötigt Hochspannungsleitungen als Seekabel, und sollte man, um viele einzelne Seekabel zu vermeiden, an eine alle Windparks verbindende Verkabelung denken, dann benötigt man ein viele hundert Kilometer langes Hochspannungsgleichstromkabel. Zur Gründung einer WEA auf See muss auf maritime Technologien zurückgegriffen werden. Da mit Schiffskollisionen zu rechnen ist, muss die Konstruktion so gewählt werden, dass die WEA zwar einem Orkan trotzt, aber nur geringe Schäden an einer Schiffshülle anrichtet. Zusätzlich besteht die Gefahr, dass die WEA bei einer Kollision im schlimmsten Falle umstürzt.

Typenklassen

WEA können für verschiedene Typenklassen zugelassen werden. Diese Klassen spiegeln die Auslegung der Anlage für windstarke oder windschwache Gebiete wieder. Die Einordnung in Typenklassen äußert sich unter anderem in größeren Rotordurchmessern, bei gleicher Nennleistung, aber schwächerer Typenklasse. Als Bezugswerte werden die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe und ein Extremwert verwendet, der statistisch nur ein Mal im 10-Minuten-Mittel innerhalb von 50 Jahren auftritt.

Regelung und Betriebsführung

Für die Regelung der Anlagen existieren verschiedene Konzepte, die sich zum Teil auch auf die Anlagenkonstruktion und deren Bestandteile auswirken.

Anlauf- und Abschaltwindgeschwindigkeit

Die Windenergieanlagen werden von der Regelelektronik bei ertragsversprechenden Windgeschwindigkeiten (Anlaufwindgeschwindigkeit) angefahren und bei zu großen Windgeschwindigkeiten (Abschaltwindgeschwindigkeit) wieder abgeschaltet. Die Windgeschwindigkeit kann dabei von der Elektronik über das Anemometer ermittelt, oder aus der Drehzahl des Rotors und der abgegebenen Leistung abgeleitet werden. Anemometer Ist die Windgeschwindigkeit für einen wirtschaftlichen Betrieb zu gering, wird die Anlage in Leerlauf- bzw. Trudelzustand versetzt. Dabei werden die Blätter bei Anlagen mit Pitchregelung in Segelstellung gedreht, Anlagen mit Stallregelung werden aus dem Wind gedreht. Ein Festsetzen des Rotors würde die Lager mehr belasten als der Trudelbetrieb mit leichter Bewegung. Der Generator, beziehungsweise der Wechselrichter wird vom Stromnetz getrennt. Die Regelelektronik und die Stellantriebe für Rotorblattverstellung und Windrichtungsnachführung beziehen dann ihre Energie aus dem Netz. Die Anlagen besitzen auch eine Notstromversorgung, um bei Netzausfall ein sicheres Abschalten (Blätter in Segelstellung drehen und/oder bremsen) zu gewährleisten. Ab einer Windgeschwindigkeit von 2–4 m/s (Windstärke 2–3 Bft) schaltet die Regelung die WEA ein, da erst dann nennenswerte Energiemengen in das Stromnetz abgegeben werden können. Im normalen Betrieb wird die Anlage entsprechend den konstruktiv festgelegten Drehzahlregelkonzepten (siehe folgende Absätze) betrieben. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (typische Abschaltgeschwindigkeit 25–35 m/s, Windstärke 10–12 Bft) wird die Anlage abgeschaltet, um Schäden durch mechanische Überbelastung zu vermeiden. Pitchgeregelte Anlagen drehen ihre Blätter in Segelstellung und gehen in den Trudelbetrieb, stallgeregelte Anlagen werden aus dem Wind gedreht und durch die Bremse festgesetzt. Neuere Anlagen besitzen eine Sturmregelung. Diese erlaubt den Betrieb der Anlage bei fast jeder Windgeschwindigkeit, da sie bei Sturm die Rotorblätter so verstellt, dass die Anlage in einem sicheren Betriebszustand verbleibt. Sie sorgt auch für ein "sanfteres" Abschalten der Anlage, um Spannungseinbrüche im Stromnetz zu verhindern.

Drehzahlregelung

Eine WEA ist nur dann optimal zu betreiben, wenn die Rotordrehzahl und die Generatordrehzahl auf die augenblicklich herrschende Windgeschwindigkeit abgestimmt sind. Dabei muss auf Kombination der Regelkonzepte für Rotor (Stall, aktiven Stall oder Pitch) und Generator (drehzahlkonstant, zweistufig oder variabel) Rücksicht genommen werden.

Regelkonzepte

Sturm Bei einem Rotor mit Stallregelung tritt über der Nenngeschwindigkeit ein Strömungsabriss am Rotorblatt auf, der die Drehzahl und so die Leistung begrenzt. Diese konstruktive Regelung ist sicher und einfach, bringt jedoch auch einige Nachteile mit sich. Bei Rotorblättern mit aktiver Stallregelung kann der Punkt des Strömungsabrisses zusätzlich über eine Veränderung des Rotorblattanstellwinkels gesteuert werden. Da diese Anlagen in der Regel mit netzsynchronen Generatoren arbeiten, muss die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors sehr schnell auf die sich ständig ändernde Windgeschwindigkeit abgestimmt werden, um die Frequenz und den Betrag der Spannung innerhalb der geforderten Toleranzen zu halten. Rotoren mit Pitchregelung werden ebenfalls durch Verstellen des Anstellwinkels an die momentane Windgeschwindigkeit angepasst. Jedoch arbeitet die Verstellung entgegengesetzt zu Anlagen mit Stallregelung. Durch die Drehung des Rotorblattes wird die Auftriebskraft verändert und so kann die Rotationsgeschwindigkeit geändert werden. Diese Windenergieanlagen arbeiten zumeist drehzahlvariabel, d.h. die Rotordrehzahl schwankt in einem gewissen Toleranzbereich. Der Generator bringt ein Gegenmoment zum Rotor auf. Es ist abhängig von der Leistungsabgabe des Generators. Bei einer Asynchronmaschine mit zwei fixen Drehzahlen muss die WEA je nach Windstärke zwischen diesen beiden Stufen umschalten. Generatoren mit variabler Drehzahl, Asynchrongeneratoren und Synchrongeneratoren können sich ohne Zutun den wechselnden Rotationsgeschwindigkeiten des Rotors anpassen.

Drehzahlvariable pitchgeregelte Anlagen

Drehzahlvariable pitchgeregelte Anlagen stellen zur Zeit den aktuellen Stand der Technik im Windenergieanlagenbau dar. Es wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden: Der Drehzahlregelung im Teillastbetrieb (Momentenregelung) und der Drehzahlregelung im Volllastbetrieb (Pitchregelung).
- Momentenregelung:
Um eine optimale Leistungsausbeute zu erreichen, wird die Drehzahl der Anlage im Teillastbereich auf das optimale Verhältnis zwischen Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und Windgeschwindigkeit eingestellt (Schnelllaufzahl

\lambda

optimal). Die Blätter sind dabei auf den Blattwinkel eingestellt, der das höchste Antriebsmoment an der Rotorwelle erzeugt. Die Drehzahl wird über das Gegenmoment am Generator beeinflusst.
- Pitchregelung:
Ist bei der Nennwindgeschwindigkeit das maximale Gegenmoment am Generator (Nennleistung) erreicht, kann die Drehzahl durch weiteres Erhöhen des Generatormoments nicht mehr auf dem Arbeitspunkt gehalten werden. Daher wird der aerodynamische Wirkungsgrad der Blätter verschlechtert, indem sie aus ihrem optimalen Anstellwinkel herausgefahren werden. Diesen Vorgang nennt man Pitchen (von Englisch to pitch = neigen). Die Drehzahl der Anlage wird somit, ab Erreichen des maximalen Generatormoments, über den Anstellwinkel der Blätter beeinflusst. Böen werden durch kurzzeitige Erhöhung der Rotordrehzahl und Verstellung des Anstellwinkels besser ausgesteuert, als bei anderen Anlagen. Die Trennung von Generator und Netzeinspeisung verhindert Rückwirkungen der Rotordrehzahl auf Netzfrequenz und Spannungstabilität, diese Schwankungen werden durch Einspeiseleitungen aufgefangen. Windenergieanlagen mit Pitchregelung werden zumeist ausschließlich aerodynamisch abgebremst. Dabei wirken die drei voneinander unabhängigen Blattverstellsysteme als Bremse. Sie besitzen keine mechanische Betriebsbremse. Der Rotor wird nur zu Wartungsarbeiten festgesetzt.

Netzsynchrone Anlagen mit Stallregelung

Dieser Anlagentyp wurde auch als "Dänisches Konzept" bekannt und stellte lange Zeit den Stand der Technik im Windenergieanlagenbau bis zu einer Nennleistung von etwa 500 kW dar. Er besteht aus einem Dreiblattrotor mit nicht verstellbaren Rotorblättern, der sein Drehmoment über ein Stirnradgetriebe an den Generator weiterleitet. Der Generator läuft netzsynchron. Durch die Anwendung der Dahlander-Polumschaltung am Generator können zwei Drehzahlen im Verhältnis 1:2 gefahren werden, um den Teillast- und Volllastbereich abzudecken. Dieser Anlagentyp ist maßgeblich für den schlechten Ruf der WEA in Bezug auf die Netzverträglichkeit verantwortlich. Es ist nur in einem Toleranzbereich möglich, die Rotordrehzahl konstant zu halten. Windböen können kurzzeitige Einspeisespitzen verursachen, die zu Spannungsschwankungen, Spannungs- und Stromoberwellen im Stromnetz führen. Dieses Manko konnte erst durch drehzahlvariable Anlagen mit einem Netzwechselrichter ausgeglichen werden. Viele dieser Anlagen verfügen über eine mechanische Betriebsbremse, eine große Scheibenbremse zwischen Getriebe und Generator, die bei Überdrehzahl eingesetzt wird, um den Rotor wieder auf Nenndrehzahl zu bringen. Eine weitere Bremsmöglichkeit ist die sogenannte Blattspitzenbremse. Dabei wird das Ende des Rotorblattes durch die Fliehkraft auf einer schneckenförmigen Welle aus dem Blatt herausgezogen und dabei quer zur Anströmung gestellt. Die Anlagen waren teilweise durch die Rotorblattauslegung nicht in der Lage, bei wenig Wind selbständig anzulaufen. Daher wurde bei ausreichender Windgeschwindigkeit der Generator kurz als Motor verwendet, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Die Rotorblätter sind so geformt, dass im Nennlastbereich ein Strömungsabriss auftritt und so die Leistung auch bei starkem Wind auf die Nennleistung begrenzt. Dieser so genannte Stalleffekt bringt jedoch starke Geräuschentwicklungen mit sich.

Netzsynchrone Anlagen mit aktiver Stallregelung

Windenergieanlagen mit aktiver Stallregelung sind der Versuch, das Konzept der Stallregelung und des netzsynchronen Betriebs ohne teureren Gleich- und Wechselrichter auch auf größere Anlagen bis in den Megawattbereich zu übertragen. Bei diesen Anlagen lässt sich der Strömungsabriss an den Rotorblättern zusätzlich über eine Blattverstellung steuern. Schwankungen im Wind (Böen) können so besser als bei reinen Anlagen mit Stallregelung ausgeglichen werden. Die Blattverstellung arbeitet entgegengesetzt der Pitchregelung und erhöht den Anstellwinkel immer weiter, bis es zum Strömungsabriss kommt. Im Sturmfall können die Blätter mit der Hinterkante nach vorn gedreht werden. Die Anlage muss dann nicht aus dem Wind geschwenkt werden.

Windrichtungsnachführung

Die Windrichtungsnachführung erfolgt bei modernen Anlagen durch Stellmotoren (auch Azimutantrieb oder Giermotoren genannt). Die Windrichtung wird dabei über Sensoren, sogenannte Windrichtungsgeber ermittelt. Um Schwingungen der Anlagen um die Turmachse zu vermeiden, werden die Stellmotoren (meist sind mehrere vorhanden) gegeneinander verspannt oder das gesamte Lager wird mit einer Bremse festgesetzt, wenn es nicht in Bewegung ist. Auch die natürliche Dämpfung von Gleitlagern wird genutzt. Bei Bewegungen um die Hochachse wirken starke Widerstandsmomente auf den Rotor und die übrige Struktur ein. Die Windrichtungsnachführung erfolgt daher langsam und stark gedämpft. Die elektrische Anbindung der Gondel (Steuersignale und erzeugter Strom) erfolgt über fest verbundene Kabel; Schleifkontaktringe sind bei den hohen Strömen und der Witterungsbelastung zu wartungsintensiv. Um diese Kabel nicht zu sehr zu verdrehen, ist die Anzahl der Gondelumdrehungen je Richtung auf bis zu fünf (anlagenabhängig) von der Mittelstellung begrenzt. Ein Verwindungszähler kontrolliert diese Position und sorgt bei Bedarf für Entdrillung, wobei sich die Gondel bei stehendem Rotor ein paar mal um die Hochachse dreht.

Umweltauswirkungen

Widerstandsmomente Die Wechselwirkungen von Windenergieanlagen mit der Umwelt sind nicht zuletzt durch den massiven Ausbau stark in die Kritik geraten. Immer wieder angeführt werden starke Geräuschentwicklung, Schattenwurf beziehungsweise Blendung sowie der Einwand, „Windräder“ verschandelten die Landschaft.

Vogelschlag

Bereits Anfang der 1980er Jahre wurde bei der deutschen Versuchsanlage GROWIAN darüber diskutiert, ob vermehrt Vögel an schnell rotierenden Flügel zu Schaden kommen könnten. Zum Ausmaß dieser Fälle von Vogelschlag gibt es inzwischen kontroverse Untersuchungen. Nach einer Studie des NABU von 2005 sterben in Deutschland jährlich etwa eintausend Vögel durch Kollision mit einer WEA. Betroffen sind insbesondere Greifvögel. Demgegenüber stehen etwa zehn Millionen getöteter Vögel durch Straßenverkehr und Stromleitungen (BUND-Schätzung). Der NABU hatte 127 internationale Studien ausgewertet und kam zum Schluss, dass durch Windenergie in Deutschland keine Vogelart gefährdet sei.

Fledermaus- Totfunde

Aus bisher ungeklärten Gründen kommen an einigen Standorten von Windkraftanlagen bestimmte Fledermausarten gehäuft zu Tode. Zur Zeit wird untersucht, inwiefern ein Zusammenhang mit dem Zugverhalten der Fledermäuse besteht, und welchen Einfluß Windgeschwindigkeiten und ähnliche Faktoren auf die Zahl der Totfunde hat. Da der Fledermausschutz aufgrund von EU-Richtlinien in Deutschland gut durchsetzbar ist, können aus diesen Studien Bedingungen für den Betrieb von Windkraftanlagen abgeleitet werden. Dies betrifft zum Einen die Wahl des Standortes, aber auch ein zeitweiliges Abschalten bei bestimmten Windgeschwindigkeiten ist im Gespräch.

Landschaftsverbrauch

Der überwiegende Anteil heute installierter Windenergieanlagen befindet sich auf landwirtschaftlich genutzten Flächen. Benötigt wird nur die Standfläche der WEA und ein Zuweg für die Wartung. Die gemeindliche Entwicklung kann durch eine WEA negativ beeinflusst werden, da genehmigte Anlagen Bestandsschutz genießen und die Ausweisung von neuen Gewerbe- und Wohngebieten, die in der Nähe von Windenergieanlagen aufgrund von Abstandsregelungen nicht mehr möglich sind, verhindern können. In Deutschland wird dieses Problem mit einem Flächennutzungsplan und in Österreich mit einem Flächenwidmungsplan angegangen, so dass auch ein „Wildwuchs“ von Einzelanlagen vermieden wird. Wurden in einem Flächennutzungsplan sogenannte Vorrangflächen für die Windenergie aufgestellt, sind diese für die Windenergienalagen zu nutzen. Die Errichtung an einem anderen Standort innerhalb der Gemeinde oder des Kreises ist dann unzulässig. Ein fester bundeseinheitlicher Abstand von Windenergieanlagen zu Wohngebieten etc. existiert in Deutschland nicht, jedoch erfüllt man in den meisten Fällen mit einem Abstand von 500 m zu Wohngebieten alle gesetzlichen Auflagen (wie Obergrenzen für Lärm und Schattenwurf, siehe unten).

Auswirkungen auf Standorte im Meer

Um die erheblich stärkeren Winde auf See nutzen zu können, wird in Deutschland vermehrt die Errichtung von Windparks auf dem offenen Meer, sogenannte Offshore-Windparks geplant. In anderen europäischen Ländern (Dänemark, Schweden, Großbritannien) sind sie bereits realisiert. Auch hier werden Bedenken vorgetragen: Befürchtet werden beispielsweise Kollisionen mit vom Kurs abgekommenen Schiffen und eine Beeinträchtigung der Meeresökologie (vornehmlich durch Geräuschentwicklung unter Wasser während des Fundamentbaus). Hinzu kommt, dass die Entfernung zu den Abnehmern länger ist als bei den Anlagen an Land und zudem neu verkabelt werden muss. Dies könnte zu Baumaßnahmen im Wattenmeer führen, das fast komplett als Biosphärenreservat und Nationalpark (wichtiges Gesetz hier: Eingriffsregelung) ausgewiesen ist. Die langen Leitungswege führen zudem zu einem Transportverlust von Energie, so dass die Energieausbeute aus den Anlagen sinkt.

Schattenwurfregelung/Diskoeffekt

Nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz darf der Schattenwurf einer (neuen) Windenergieanlage auf (bestehende) Wohnhäuser nicht mehr als 30 Stunden pro Jahr betragen. Insbesondere der flackernde Schatten des drehenden Rotors ist dafür von Bedeutung, da er bei zu geringem Abstand und ungünstiger Position zur Sonne sehr lästig sein kann. Der Abstand und die Aufstellung ist daher entsprechend der 30-Stunden-Regel zu wählen. Anlagen, bei denen die Gefahr des Schattenwurfes besteht, können stattdessen mit einer sonnenstands- und wetterabhängigen Schattenwurfregelung ausgerüstet werden. Diese schaltet die WEA ab, wenn Gefahr besteht, dass Schattenwurf (beispielsweise auf Wohngebiete) entsteht. Als Faustregel für eine problemlose Aufstellung gilt ein Abstand von 500 m zum nächsten Wohnhaus, da dann der Schattenwurf bei ungünstigster Position und unbedecktem Himmel nur während insgesamt etwa 20 Stunden pro Jahr auftreten kann. Der "Diskoeffekt" bezeichnet Lichtreflektionen durch die Rotorblätter, er wird häufig mit der Schattenwurferscheinung des Rotors verwechselt. Zu seiner Vermeidung hat sich die Verwendung von nichtreflektierender Farbe durchgesetzt und auch bewährt. Er spielt daher keine Rolle mehr bei der Abstandsbestimmung.

Schall

Ein weiterer Aspekt sind Schallemissionen. Nach dem Bundesimmissionsschutzgesetz darf der von einer technischen Anlage ausgehende Schall in reinen Wohngebieten nachts nicht lauter als 35 dB(A) sein (allgemeines Wohngebiet 40 dB, Dorf- und Mischgebiet 45 dB, Gewerbegebiet 50 dB, Industriegebiet 70 dB). Für baurechtlich nicht festgesetzte Gebiete (z.B. Einzelgehöft im Außenbereich) werden nach aktueller Rechtsprechung die Werte für Mischgebiete angesetzt. Zum Nachweis eingehaltener Grenzwerte muss im Rahmen des Genehmigungsverfahrens ein Schallgutachten erstellt werden. Der Schall von Windenergieanlagen ist in der Hauptsache das Windgeräusch der sich im Wind drehenden Rotorblätter. Je größer also der Rotordurchmesser, desto lauter die Anlage. Natürlich gibt es hier Ausnahmen und Unterschiede zwischen verschiedenen Herstellern. Der Schallleistungspegel wird nach genormten Verfahren durch akustische Messungen bestimmt. Gängige Werte liegen zwischen 98 dB(A) und 109 dB(a). Diese Werte stellen die rechnerische Konzentration der Schallenergie der Rotorfläche auf einen Punkt dar. An keinem Ort an der Windenergieanlage, zum Beispiel auf der Gondel, wird er tatsächlich erreicht. Aus der Ferne betrachtet ist es jedoch egal, ob die Schallenergie von einem Punkt oder einer Fläche emittiert wird. Die stärkeste Wahrnehmbarkeit wird bei 95% der Nennleistung angenommen, also bei Windgeschwindigkeiten zwischen etwa 10 m/s und 12 m/s in Nabenhöhe. Bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten sind die Schallleistungspegel geringer, bei höheren werden sie von natürlichen Windgeräuschen überlagert. Die Grenzwerte, die niemals überschritten werden dürfen, werden also in der meisten Zeit kaum erreicht. Bei einer als Punkt betrachteten Schallquelle nimmt die Lautstärke bei Verdoppelung des Messabstandes jeweils um ca. 6 db ab. Mit 500 m Abstand zum nächsten Wohngebäude ist der Schalleinfluss einer einzelnen Windenergieanlage in jedem Fall unter dem Grenzwert, oft wird bereits bei 300 m der Grenzwert von 45 db(A) im Aussenbereich eingehalten. Besondere Schall-Effekte durch Windenergieanlagen, wie Innenraumgeräusche in Wohnungen, konnten bisher nicht durch wissenschaftliche Untersuchungen belegt werden (Infraschall). Drehzahlvariable Windenergieanlagen, die in der Nähe von Wohngebieten stehen, können zu bestimmten lärmsensiblen Zeiten, beispielsweise nachts, in einen schallreduzierenden Betriebszustand gebracht werden. Da die Lärmemission besonders von der Blattspitzengeschwindigkeit und dem Getriebe abhängt, wird dazu die Drehzahl des Rotors abgesenkt. Diese Maßnahme führt jedoch immer auch zu einem Ertragsverlust für den Betreiber. Die Reduktion von Schallemissionen ist eine der Hauptarbeiten bei der Weiterentwicklung der Anlagen.

Energierücklaufzeit

Die Energierücklaufzeit beschreibt die Zeit, die vergeht, bis ein Kraftwerk genauso viel Energie erzeugt hat, wie zu seiner Produktion, Transport, Errichtung, Betrieb usw. benötigt wurde. Als erzeugte Energie betrachtet man in der Regel die eingesparte Primärenergie. Eine erzeugte kWh_elektrisch entspricht je nach Vergleichsgrundlage 2-3 kWh_{Primärenergie}. Die Energierücklaufzeit beträgt bei WEA etwa zwei bis sechs Monate, auch nach konservativen Schätzungen jedoch deutlich unter einem Jahr. Energetisch können sich nur Kraftwerke amortisieren, die regenerative Energiequellen nutzen, da konventionelle Kraftwerke ständig Zufuhr von Brennstoff benötigen.

Politischer Einfluss in Deutschland

Ganz entscheidend für den Boom der Windenergie in der Bundesrepublik Deutschland war das Stromeinspeisungsgesetz von 1991, das die Stromnetzbetreiber und damit auch die Endverbraucher zur Abnahme des erzeugten Stroms verpflichtete. Diese Förderung des Technologieeinstiegs in erneuerbare Energien wurde von der seit 1998 bestehenden rot-grünen Bundesregierung im Jahr 2000 im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) mit Einschränkungen fortgeschrieben. Das Gesetz sichert den Betreibern von Windenergieanlagen feste Vergütungen des eingespeisten Stroms zu, die derzeit über dem durchschnittlichen Strombörsenwert des Stroms an der Strombörse (bis zu 7 Cent/kWh) liegen. Die den Stromverbrauchern dadurch entstehenden Mehrkosten belaufen sich im Schnitt auf 2 Euro pro Haushalt und Monat, was sich auf die Bundesrepublik Deutschland hochgerechnet auf 900 Millionen Euro Mehrkosten pro Jahr aufsummiert. Zusammen mit den Kosten für die gewerblichen Stromverbraucher beläuft sich die Belastung auf 2,2 Milliarden Euro pro Jahr für Windstrom bei einem Anteil an der Stromversorgung von 3,2 Prozent (siehe dena-Netzstudie). Die Festpreisvergütung im Rahmen des EEG hat zu einem starken Ausbau der Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland geführt. Ende 2003 war rund die Hälfte der gesamten europäischen Windenergieleistung (28.700 MW) in der BRD installiert, 10 Monate später bereits zwei Drittel. Anfang April 2004 verabschiedete der Deutsche Bundestag eine Novellierung des EEG. Diese sieht für 2004 eine um 0,5 Cent/kWh reduzierte Vergütung des Windstroms sowie eine Erhöhung der Degression der Einspeisevergütung von 1,5 % auf 2 % ohne Inflationsausgleich in den kommenden Jahren vor. Real sinkt damit die Neuvergütung zukünftig errichteter Windenergieanlagen um jährlich 3,5 bis 4 % (bei 1,5 bis 2% Inflation). Auf diese Weise soll der durchschnitttliche Windstrompreis bis etwa 2015 den durch Kraftwerksneubaue und Brennstoffkosten steigenden Marktpreis für Strom erreichen und dann unterschreiten.

Windenergie in der Diskussion

Deutsche Bundestag Vor allem in Deutschland, bedingt durch Art und Umfang der Förderung, ist die Energieerzeugung aus Windenergie ein stark umstrittenes und häufig auch ideologisch diskutiertes Thema.

Zukunftssicherheit

Umweltschützer betonen, dass diese Energieform besonders schonend sei, da Wind, im Gegensatz zu Kohle oder Erdöl, eine erneuerbare Ressource ist und somit dauerhaft zur Verfügung steht. Während des Anlagenbetriebes entstehen im Gegensatz zu fossilen Energieträgern keine direkten Kohlendioxidemissionen. Ein weiteres Argument der Befürworter ist die weltweite Verfügbarkeit von Wind. Von einer Förderung der Windenergie versprechen sie sich mehr Gerechtigkeit, da auf diese Weise auch Staaten ohne Rohstoffvorkommen Autarkie in der Energieversorgung erreichen könnten. Zudem birgt die Windenergie deutlich weniger Risiken als die Kernkraft.

Schwankung des Windangebots

Kernkraft Windenergie ist nur Teil eines Energiemixes und bildet nur eine Säule der erneuerbaren Energien. Als ihr Hauptnachteil gilt die unregelmäßige, mit dem Wind schwankende Leistungsabgabe einer Anlage. Bei sehr starkem Wind kann in einigen wenigen Stunden eine Auslastung der Windanlagen in einem Windpark von bis zu 100 % der Nennleistung erreicht werden, die in ebensolcher Zeit wieder abfällt. Diese Schwankungen nivellieren sich jedoch zunehmend, sobald die Summe der eingespeisten Energie über größere Gebiete gebildet wird, und die ausgleichende Wirkung anderer erneuerbaren Energien mit ihrem gegenläufigen Angebotsverhalten einbezogen wird. Dennoch kann entsprechend dem Diagramm rechts auch

Verstellpropeller

Verstellpropeller werden für Luftschrauben und für Schiffsantriebe verwendet.

Schiffbau

Im Unterschied zum konventionellen Propeller mit fester Steigung, der heute meist aus einem Guss gefertigt wird, sind beim Pitch- oder Verstellpropeller die Propellerblätter drehbar an der Nabe befestigt. Damit lässt sich die Steigung (eng. pitch) stufenlos von Nullschub in Richtung Voraus oder Zurück verstellen. Verstellpropeller kommen bei mittelgroßen Einheiten zum Einsatz, bei denen gute Manövrierbarkeit gefragt ist.

Vorteile

Der Antrieb kann bei laufendem Schiffsmotor von "voraus" auf "zurück" umgesteuert werden, was mit erheblicher Zeitersparnis verbunden ist, da die Maschine nicht mehr gestoppt, sondern nur noch auf Mindestdrehzahl heruntergefahren werden muss. Bei Schiffen kleinerer Bauart (Binnenseeschiffe) muss die Drehzahl nicht reduziert werden. Damit ist die Manövrierbarkeit wesentlich verbessert. Die Maschine wird bei Nullschub angelassen und auf Mindestdrehzahl hochgefahren, sie wird beim Starten nicht noch zusätzlich durch Antriebs-Drehmoment belastet. Das Fahrzeug nimmt nicht unmittelbar Fahrt auf, wenn die Maschine gestartet wird. Ein Durchdrehen der Welle und damit der Maschine durch Strömung (z.B. vorbeifahrende Schiffe im Hafen) wird durch den auf Nullschub stehenden Propeller verhindert. Schiffe mit Verstellpropeller besitzen kein Wendegetriebe, allenfalls ein Reduziergetriebe bei schnelldrehenden Motoren. Somit entfällte ein wesentlicher Schwachpunkt im Antriebssystem.

Nachteile

Eine Verstellschraube oder ein Verstellpropeller ist mechanisch wesentlich aufwändiger und teurer in der Herstellung als ein Propeller mit fester Anordnung der Propellerflügel. Der Verstellmechanismus hat einen gewissen Wartungsaufwand und - im Falle von Flugzeugen zu berücksichtigen - ein nicht unerhebliches Gewicht. Die Kraftübertragung ist in gewissem Maße geschwächt durch die Mehrteiligkeit von Propellerflügeln und separater Nabe. Die energetische Effizienz des Vortriebes ist in vielen Verstellbereichen nicht optimal. Bei Schiffen mit Verstellpropeller ist an den Propellerflügeln eine erhöhte Kavitation zu beobachten.

Betrieb

Die Verstellung erfolgt bei Schiffspropellern hydraulisch, die nötigen Leitungen sind axial durch die Welle geführt. Die Maschine wird unbelastet auf ihre Mindestdrehzahl gefahren. Ist diese erreicht, wird der Propeller kontinuierlich auf Schub gestellt, während die Drehzahl weiter erhöht wird, bis die gewünschte Last erreicht ist. Dieses koordinierte Hochfahren an der Kombinatorkurve erfolgt geregelt automatisch; am Maschinenfahrstand auf der Brücke ist nur ein Schubhebel zu betätigen. siehe auch: Propeller Kategorie:Strömungslehre

Michał Piotrowski

Michał Piotrowski (eMPi) – urodzony w 1976 roku, dziennikarz, poeta. Ukończył filologię polską na Uniwersytecie Gdańskim. Jest autorem książek poetyckich "Luna", "Biegnij, poeto, biegnij" i "Dirty Danzig" (ostatnia wydana nakładem "Korporacji Ha!art" w roku 2005), stypendystą Marszałka Województwa Pomorskiego, laureatem Nagrody Miasta Gdańska dla Młodych Twórców Kultury (2003) i laureatem nagrody fundacji "Johny Walker - Keep Walking Award" (2005). Jako dziennikarz współpracował m.in. z Dziennikiem Bałtyckim i Aktivistem, a obecnie jest redaktorem kwartalnika literackiego Migotania, przejaśnienia. Jest także autorem popularnego bloga gadugadu.blog.pl, tworzonego wspólnie z Piotrem Czerskim.

Bibliografia

- Luna (1999)
- Biegnij, poeto, biegnij (2001)
- Dirty Danzig (2005)

Zewnętrzne linki

- [http://piotrowski.art.pl strona domowa Michała Piotrowskiego]
- [http://gadugadu.blog.pl blog obrazkowy] Piotrowski Michał

Gry Playstation gry online spielautomaten praca w anglii niusy

:: RELATED NEWS ::