Einführung
Die Nutzung der Windenergie ist ein uraltes Prinzip. Bereits in der Antike bauten die Menschen Segelschiffe und nutzten so die Kraft des Windes zur Fortbewegung. Die Erfindung der Windmühlen ermöglichte die Umwandlung der Windkraft in mechanische Energie. Somit war der Mensch in der Lage, mit Hilfe der Windenergie Korn zu mahlen oder Wasserpumpen anzutreiben. Seit den 1990er Jahren wird die Windenergie in zunehmendem Maße zur Stromerzeugung genutzt. Wichtige technische Probleme waren zwischenzeitlich gelöst worden, so dass die technische Entwicklung im Verlauf von rund 20 Jahren einen enormen Anstieg der Leistung und Größe der Anlagen mit sich brachte. Betrug im Jahre 1990 die durchschnittliche Nennleistung einer Windenergieanlage etwa 165 Kilowatt (kW), so werden heute Anlagen mit einer Leistung von mehr als 4 Megawatt (MW) betrieben. Die Nabenhöhe einer modernen Windenergieanlage liegt in der Regel zwischen 120-160 m.
Die bodennahe Windstärke in Baden-Württemberg ist verglichen mit Küstenregionen relativ gering, da im Binnenland Hügel, Berge, Gebäude und Wälder den bodennahen Wind abbremsen. Mit modernen, technisch weiterentwickelten und höheren Anlagen können heute auch in vielen Regionen Baden-Württembergs gute Stromerträge erwirtschaftet werden. Mit jedem zusätzlichen Meter Nabenhöhe kann der Energieertrag um bis zu ein Prozent gesteigert werden. Zusätzlich führt eine Verdoppelung des Rotordurchmessers zu einer Vervierfachung des Windstromertrages.
Aufbau einer Windenergieanlage
Schon von weitem sichtbar sind der Turm, die Maschinengondel, die Nabe und die Rotorblätter einer Windkraftanlage. Unterhalb des Turms befindet sich im Boden ein Fundament aus Stahlbeton, das für die Standfestigkeit der Anlage sorgt. Der Rotor besteht aus der Nabe, den daran befestigten Rotorblättern und der elektrischen Blattwinkelverstellung. Die Rotationsenergie des Rotors wird an den Generator übertragen, der die Bewegungsenergie in elektrische Energie umwandelt. Der Generator, die Bremse, die Lager sowie Regel-, Steuerungs- und Überwachungstechnik sind in der Maschinengondel untergebracht. Die Maschinengondel ist drehbar auf dem Turm gelagert und kann mit Hilfe des Azimutantriebs in Windrichtung gedreht werden, sodass die Windenergie optimal ausgenutzt werden kann.
Aufbau einer Windenergieanlage (detailliert)
Leistungsbegrenzung und Leistungsregelung einer Windenergieanlage
Bei sehr schwachem Wind (unter 4 m/s) erzeugt die Windenergieanlage keinen elektrischen Strom: Der Wind ist zu schwach um die Rotorwelle anzutreiben. Die Windenergieanlage steht still oder dreht sehr langsam. Die Rotorblätter sind aus dem Wind gedreht (Fahnenstellung), der Anstellwinkel beträgt 90°.
Bei normalem Wind dreht die Windenergieanlage und produziert Leistung, aber der Wind ist noch zu schwach, um die Nennleistung der Anlage zu erreichen. Der Anstellwinkel ist 0°, die Rotorblätter stehen im optimalen Arbeitspunkt. Von der Windleistung wird so viel wie möglich in mechanische Energie umgewandelt.
Bei Starkwind (12 bis 25 m/s) ist die angebotene Windleistung zu groß und die Anlage muss in ihrer Leistungsabgabe begrenzt werden. Die Anlage wird dann abgeregelt und die Rotorblätter teilweise aus dem Wind gedreht. Der Anstellwinkel nimmt mit der Windgeschwindigkeit zu und liegt zwischen 0° bis circa 30°. Die Rotorblätter werden so weit verstellt, dass die Windenergieanlage ihre Nennleistung nicht überschreitet.
Bei Sturm (ab 25 m/s) ist der Wind so stark, dass die Windenergieanlage abgeschaltet werden muss, um eventuelle Schäden zu vermeiden. Die Rotorblätter sind aus dem Wind gedreht (Fahnenstellung), der Anstellwinkel beträgt 90°. Diese Abschaltung muss, im Falle eines Netzausfalls, auch ohne Fremdenergie funktionieren.