Luftwiderstand

English: Air Resistance/Drag, Español: Resistencia del Aire, Português: Resistência do Ar, Français: Résistance de l'Air, Italiano: Resistenza dell'Aria

Luftwiderstand (oder aerodynamischer Widerstand) im Windkraftkontext bezeichnet die Kraft, die der Bewegung eines Körpers durch die Luft entgegenwirkt. Bei einer Windenergieanlage (WEA) spielt der Luftwiderstand eine zweifache, gegensätzliche Rolle: Er ist die treibende Kraft für die Rotorblätter (Auftrieb und Widerstand erzeugen die Rotation) und gleichzeitig eine Verlustgröße an nicht-rotierenden Teilen (Turm, Gondel) sowie ein Faktor bei der aerodynamischen Bremse der Rotorblätter.

Allgemeine Beschreibung

Der Luftwiderstand ist eine grundlegende aerodynamische Kraft:

1. Formel: Die Widerstandskraft (F_W) ist direkt proportional zur Dichte der Luft (ρ), dem Quadrat der Windgeschwindigkeit (v²), der Querschnittsfläche (A) des Körpers und dem Widerstandsbeiwert (c_W) des Körpers:
   F_W ~ 1/2 * ρ * v² * A * c_W

2. Rolle des Auftriebs: Im Gegensatz zu anderen Strukturen wird die Rotorbewegung bei WEA primär durch den Auftrieb der Rotorblätter (ähnlich einem Flugzeugflügel) angetrieben, der senkrecht zur Windströmung wirkt. Der tatsächliche Luftwiderstand wirkt parallel zur Strömung und ist größtenteils eine Verlustgröße.

3. Bedeutung: Die Minimierung des Widerstands an nicht-nutzenden Teilen (Turm, Gondel) und die Optimierung des Verhältnisses von Auftrieb zu Widerstand an den Rotorblättern sind entscheidend für die Gesamteffizienz der Anlage.

Anwendungsbereiche

Die Berücksichtigung des Luftwiderstands ist in Design und Betrieb zentral:

• Rotorblatt-Design: Die aerodynamische Form (Profil) des Rotorblatts wird so gewählt, dass sie das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand maximiert und der nutzbare Drehmoment aus dem Wind optimal gewonnen wird.

• Turm- und Gondel-Design: Die Geometrie dieser Komponenten wird auf minimale c_W-Werte hin optimiert, um unnötige mechanische Belastungen und Energieverluste durch Turbulenzen zu verringern.

• Pitch- und Yaw-Regelung: Der Anstellwinkel der Rotorblätter (Pitch) wird aktiv gesteuert, um den aerodynamischen Widerstand zu nutzen (oder zu minimieren) und die Leistung bei wechselnden Windgeschwindigkeiten zu regeln. Bei sehr starkem Wind wird der Widerstand erhöht, um die Anlage zu schützen.

Spezielles: Bremseffekte und Grenzwerte

Der Luftwiderstand wird aktiv zur Steuerung und zum Schutz der Windkraftanlage eingesetzt:

• Stall-Regelung: Bei Anlagen mit Stall-Regelung (passiver Überlastschutz) wird bei hohen Windgeschwindigkeiten der inhärente Anstieg des Widerstands genutzt, um die Leistung zu begrenzen und eine Überlastung des Generators zu verhindern.

• Aktive aerodynamische Bremse: Das vollständige Drehen der Rotorblätter aus dem Wind (Fahnenstellung oder Feathering) erhöht den Luftwiderstand massiv und dient als Notbremse, um die Rotorbewegung schnell zu stoppen.

• Betz'sches Gesetz: Die Gesamteffizienz ist durch die Physik begrenzt, da ein Teil der Windenergie durch den Widerstand der Rotorblätter selbst benötigt wird, um die Luft abzulenken und den Antrieb zu erzeugen. Würde die gesamte kinetische Energie entzogen, gäbe es keinen Windstrom mehr hinter der Turbine (Betz-Limit von ~ 59,3 %).

Bekannte Beispiele

• Verdickte Rotorblattspitzen: An der Blattwurzel sind die Profile oft dicker und haben einen höheren Widerstand, während die Spitzen dünn und widerstandsarm für maximale Geschwindigkeit ausgelegt sind.

• Verwirbelungen (Turbulenzen): Der Luftwiderstand führt hinter der Gondel und dem Turm zu Verwirbelungen (Turbulenzen), die die Effizienz nachfolgender Turbinen (Wake-Effekt) reduzieren.

• Eisbildung: Eis auf Rotorblättern erhöht den Luftwiderstand drastisch und verschlechtert das Auftrieb-Widerstands-Verhältnis, was zu einem signifikanten Leistungsverlust führt und eine Abschaltung der Anlage aus Sicherheitsgründen erforderlich machen kann.

Risiken und Herausforderungen

• Materialermüdung: Der wechselnde und starke Luftwiderstand (Windlasten) auf die Rotorblätter und den Turm ist die Hauptursache für strukturelle Belastungen und Materialermüdung der Anlage.

• Lärmemission: Der Widerstand und die damit verbundenen Turbulenzen an den Blattspitzen sind die Hauptquelle der aerodynamischen Lärmemissionen der Windkraftanlage.

• Leistungsverlust: Jede nicht-optimale aerodynamische Gestaltung führt zu unnötigem Widerstand und damit zu einem direkten Verlust an potenziell nutzbarer Energie.

Ähnliche Begriffe

• Auftrieb

• Aerodynamik

• Betz'sches Gesetz

• Pitch-Regelung

• Wake-Effekt

Zusammenfassung

Luftwiderstand ist die Kraft, die der Bewegung von Anlagenteilen durch die Luft entgegenwirkt. Er ist für die Windkraft von doppelter Bedeutung: Die Rotorblätter nutzen den Widerstand und den damit verbundenen Auftrieb zur Energiegewinnung, während an Turm und Gondel der Widerstand minimiert werden muss. Der gezielte Einsatz des Widerstands durch die Pitch-Regelung dient dem Leistungsmanagement und dem Anlagenschutz bei starken Winden. Die aerodynamische Optimierung des Widerstands ist entscheidend für die Gesamteffizienz und die Reduzierung von Lärmemissionen und strukturellen Belastungen.

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