Windenergie - Mit voller Kraft ins neue Jahr

In Zeiten stetig knapper werdender fossiler Brennstoffe gewinnen CO2-neutrale Energieträger zunehmen’s an Attraktivität. Aus diesem Grund und der Idee heraus, zu versuchen einen Teil der benötigten elektrischen Energie selbst zu erzeugen, habe ich vor etwa 5 Jahren begonnen, mich mit der Windkraft zu beschäftigen. Als einen guten Vorsatz für das kommende Jahr 2008 habe ich mir vorgenommen meine Windkraft Seiten an dieser Stelle wieder aufleben zu lassen. Nach einigen theoretischen Überlegungen und ein paar ersten Versuchen, kam ich zu der Erkenntnis, dass es nicht all zu schwer sein sollte ein kleines Windrad selbst zu bauen. Die folgenden Blog-Beiträge sollen eine kleine Einführung in die spannende Welt der Windkraft geben.

###Von Aufwand und Nutzen

Eine zentrale Bedeutung bei der Nutzung der Windkraft kommt den zwei Fragen zu, Wie viel Energie ist im Wind ? und Wie viel Energie kann davon genutzt werden ? Wie bei jedem technischen Energieumwandlungs-Prozess ist auch die Nutzung der Windenergie nicht ohne Verluste möglich. Der Folgende Abschnitt geht zunächst von einer idealen Maschine aus, bei der Verluste (erst mal) vernachlässigt werden sollen.

###Wie viel Energie ist im Wind enthalten ?

Für alle bewegten Körper mit der Masse _m_ und der Geschwindigkeit _v_ gilt folgende Formel zur Berechnung der kinetischen Energie Ekin:

wind001

Will man die kinetische Energie des Windes mit dieser Formel berechnen, stellt sich zunächst die Frage : Welche Masse hat der Wind ? In dieser Rechnung interessiert nur der Teil des Windes, der mit dem Windrad in Kontakt kommt, sprich die Luftmasse, die innerhalb einer bestimmten Zeit _t_ auf die Fläche _A_ des Windrads trifft. Diese Luftmasse entspricht der Luftmenge, welche eine Kreisförmige Fläche _A_, mit der Geschwindigkeit _v_ in der Zeit Δt durchströmt:

wind002

Auf diese Art wird eine Art (Strömungs-) Zylinder aus Luft beschrieben, bestehend aus der Grundfläche _A_ und der Länge _s_. Geschwindigkeit mal Zeit ist gleich dem Weg _s_, welcher der Zylinderlänge entspricht. Das Volumen _V_ des Zylinders kann demnach als Produkt aus der Zeitdifferenz mal Geschwindigkeit mal(Grund-)Fläche berechnet werden. Unter Zuhilfenahme der Dichte und Verwendung der Formel, Volumen mal Dichte gleich Masse , lässt sich die Masse der das Windrad durchströmenden Luft in der Zeitspanne Δt berechnen. Daraus ergibt sich folgende zusammengesetzte Formel für die Windenergie:

wind002

Ersetzt man in der Formel noch die Grundfläche des Kreises durch Π viertel mal _d_ hoch 2 und teilt anschließend die Energie durch die Zeitspanne, so erhält man eine vom Durchmesser des Windrades abhänge Formel zur Berechnung der Leistung des Windes.