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1 Spezialfrage: Vergleich zwischen Fotovoltaik und Windenergie Wie lässt sich die technische Funktion dieser beiden Energiegewinnungsansätze beschreiben? Welche Leistung lässt sich theoretisch jeweils erzielen? Wie hoch sind die Wirkungsgrade im Vergleich? 1. Wind entsteht durch Druckunterschiede in der Atmosphäre. Seine Geschwindigkeit kann in m/s oder km/h angegeben werden. Beim Bau von Windenergieanlagen muss zuallererst deren Lage berücksichtigt werden. Optimal für die Erzeugung von Energie ist gleichmäßiger, mittelstarker Wind, der möglichst die ganze Zeit weht. Dies ist am ehesten in Meeresnähe (oder sogar im Meer) gegeben. Die flache Umgebung hat den weiteren Vorteil, dass die Türme der Anlagen nicht so hoch gebaut werden müssen. Eine gute Möglichkeit sind auch Bergkämme oder weite Ebenen. Auf einem Turm befindet sich eine drehbare Gondel, die sich immer zum Wind stellt. Das Nachstellen erfolgt durch Motoren, die durch Windsensoren gesteuert werden. Die Gondel enthält einen Generator und ein Getriebe, das dafür sorgt, dass die Drehzahl möglichst konstant bleibt. Auf einer Welle befindet sich die Nabe mit den Rotorblättern. Solarzellen können Energie aus dem Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umwandeln. Sie bestehen aus zwei Schichten Silizium. Das Licht fällt auf die Grenze zwischen diesen Schichten und erzeugt dort elektrische Spannung. Für Photovoltaikanlagen verwendet man Solarmodule, in denen viele einzelne Solarzellen zusammengeschaltet sind. 2. Die durchschnittlichen Leistungswerte für Solar- und Windenergie sehen wie folgt aus: - Sonnenenergie: netzgekoppelte Fotovoltaik- Hausanlage (5 kw) - Windkraft: Windenergiekonverter im Binnenland (1,5 MW) 3. In Österreich gibt es 625 Windkraftanlagen. Die Gesamtleistung beträgt Megawatt (Strom für rund Haushalte). Dies entspricht ca. 4% der gesamten Stromerzeugung. Der maximale Wirkungsgrad eines Windrades liegt bei 60%. Solarzellen bestehen meistens aus Halbleitern wie Silizium. Die bläuliche Farbe kommt von einer Anti- Reflex Schicht. Je nach Erzeugung unterscheidet man monokristalline Zellen, polykristalline Zellen und amorphe Zellen. Erstere werden aus einem einzigen Silizium-Kristall hergestellt. Sie haben den höchsten Wirkungsgrad (bis zu 24%), sind aber auch am teuersten. Am weitesten verbreitet sind polykristalline Solarzellen. Sie bestehen aus vielen kleinen Einzelkristallen und liegen vom Preis wie auch vom Wirkungsgrad her im mittleren Bereich (bis 16%). Am billigsten sind amorphe Zellen. Ihr Wirkungsgrad erreicht lediglich 5 bis 7%. Strom aus Solarzellen spielt in Österreich noch eine geringe Rolle. Im Jahr 2010 wurden nur etwa 0,04% der elektrischen Energie durch Photovoltaik erzeugt.

2 Spezialfrage: Physikalische und technische Aspekte von Windkraftanlagen Wie sehen der Aufbau und die Funktion eines typischen Windrades aus? Welche Typen von Windkraftanlagen gibt es und wie funktionieren diese? Wie kann man die maximal mögliche Leistung eines Windrades definieren? Interpretiere die angegebene Formel wovon hängt die theoretische Windleistung ab? Bild 1: Aufbau eines Windrades

3 Antwort 4. Auf einem Turm befindet sich eine drehbare Gondel, die sich immer zum Wind stellt. Sie enthält Generator und Getriebe. Auf einer Welle befindet sich die Nabe mit den Rotorblättern. Die Rotorblätter arbeiten ähnlich wie Tragflächen eines Flugzeuges. Sie können ihren Anstellwinkel ändern, damit die Drehgeschwindigkeit immer möglichst gleich bleibt. Dazu kommen die Überwachungs-, Regel- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik in der Maschinengondel und im Fuß oder außerhalb des Turmes. Durchgesetzt haben sich Anlagen mit einigen Megawatt Leistung. Meist werden viele solcher Windräder zu Windparks zusammengefasst. Bild 2: Leistungskennlinien von Windrotoren unterschiedlicher Bauart

4 Theoretische Windleistung P = 1/ 2 ρ v 3 A 5. Jede Windenergieanlage hat letztlich eine drehbare Achse, an der die Energie umgesetzt wird. Die Bauformen der daran angebrachten Rotoren können aber sehr unterschiedlich sein. Wie die Windmühlen verwenden moderne Anlagen zur Erzeugung von elektrischer Energie waagrecht liegende Achsen. Daran sind meist 3 Rotorblätter angebracht. Diese Zahl stellt einen Kompromiss dar: Mit 2 Blättern ist das Rad leichter, allerdings treten oft Unwuchten und Schwingungen auf, wenn der Wind nicht gleichmäßig ist. Mehr als 3 Blätter bringen keine wesentliche Steigerung der Energieausbeute und sind zudem schwerer. Ein Nachteil der waagrecht liegenden Achsen (gegenüber senkrecht stehenden Achsen) ist, dass sie dem Wind nachgedreht werden müssen. Außerdem ist der Generator an der Achse in großer Höhe angebracht, was die Anlage technisch aufwändig macht. Wegen der höheren Energieausbeute haben sich diese Anlagen trotzdem durchgesetzt. Beispiele für senkrecht liegende Achsen sind der tonnenartige Savonius-Rotor und der nach dem Tragflächenprinzip arbeitende Darrieus-Rotor. 6. Der Leistungsbeiwert gibt an, wie viel Energie durch einen Rotor maximal aus einer Luftströmung entnommen werden kann. Er erreicht bei guten Anlagen über 50%. Der Rest der Energie bleibt in der Strömung. Durch Windreibung kann es zu Verlusten kommen, wodurch der Wirkungsgrad noch etwas sinkt. 7. Der Leistungsbeiwert ist als Funktion der Schnelllaufzahl einer Windkraftanlage darstellbar, wobei Anlagen mit einem maximalen Leistungsbeiwert im Schnelllaufzahlbereich von 1-3 als Langsamläufer und Anlagen mit einem maximalen Leistungsbeiwert im Schnelllaufzahlbereich oberhalb 5 als Schnellläufer bezeichnet werden. Die Schnelllaufzahl ist definiert als das Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit der Rotorblattspitzen zur Windgeschwindigkeit, bei gegebener Konstruktion also das Verhältnis von Drehzahl zu Windgeschwindigkeit. Senkrecht ist der Wirkungsgrad aufgetragen = die Energie des Windrades zu jener der Luft. Das Maximum liegt bei ca. 0,6. Das heißt, 60% der Energie der Luft können genutzt werden. Windparks Bild 3: Regionale Verteilung der Windkraft

5 8. Wie groß ist die Leistung einer Windkraftanlage in Österreich? 1616,960 kw ~ 1617 kw. 9. Laut Angabe von IG Windkraft werden etwa 4% des Stroms erzeugt (entspricht der benötigten Energie). Wie groß ist nach deren Angabe der Leistungsbedarf für ganz Österreich? MW. 10. Wie viele Anlagen müssten demnach gebaut werden, um den gesamten Energiebedarf zu decken? 15630,8 ~ Anlagen. Windleistung kommerzieller Windkraftanlagen Windkraftanlagen ist der technisch korrekte Begriff für Windräder. Diese werden für die Bereitstellung von Elektrizität gebaut. Bei einem Blick auf die Stromrechnung fällt dir auf, dass deine Eltern für Kilowattstunden zahlen, also für eine Form von Energie. 11. In Österreich beträgt der Energieverbrauch eines durchschnittlichen Haushaltes etwa Kilowattstunden. Kann dies durch die Energieumwandlung in Windkraftanlagen gewährt werden? Schätze dazu Leistung einer durchschnittlichen Windkraftanlage ab! Die Hilfekärtchen können sich dabei unterstützen! Durchschnittliche Daten: ( Rotorradius: r ~ 40 m Windgeschwindigkeit: v ~ 8 m/s ( kräftige Brise ) Dichte der Luft: ρ ~ 1,2 kg/m 3 Welche Windleistung ergibt sich mit diesen Daten? 38603,9 ~ W = 38,6 kw Einzelne Fragen 12. Welche ökologischen Faktoren müssen bedacht werden, wenn ein Windrad/ein Windpark gebaut werden soll? Windparks beeinflussen das Landschaftsbild. Daher stehen sie eher in landwirtschaftlichen Nutzflächen, abseits von Gebäuden oder touristisch genutzten Landschaften. Andererseits dürfen sie nicht zu fern von Siedlungen liegen, da die ganze Infrastruktur (z.b. Stromkabel) aufwändiger wird. Gründe für die Aufstellung abseits von Wohngebieten sind auch der Schattenwurf und entstehende Geräusche. In kleinem Ausmaß können Vögel oder Fledermäuse mit Windrädern kollidieren. 13. Welche Funktion hat ein Rotorblatt im Zuge der Stromerzeugung? Aus welchem Material bestehen die meisten Rotorblätter? Rotorblätter bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und erreichen Durchmesser von bis zu 100 Metern. Sie gewinnen die Energie aus der Luft mithilfe des Tragflächeneffekts. Der Auftrieb der propellerartigen Flügel dreht das Windrad. Damit die Energieausbeute optimal ist und das Windrad nicht zu schnell wird, wird der Anstellwinkel der Rotorblätter verändert. Die Leistung soll unter der Nennleistung des Generators bleiben. Es ist wichtig, dass die Spitzen der Rotorblätter unter der Schallgeschwindigkeit bleiben.

6 14. Seit wann wird Wind zur Erzeugung von Energie verwendet? Die Nutzung von Wind geht bis auf die Ägypter (ca V. Chr.) zurück. Sie bauten die ersten Segelschiffe. Im alten Babylonien wurden 200 Jahre später die ersten Windmühlen errichtet. Im 1. Jahrhundert nach Christus entwickelte der griechische Erfinder Heron von Alexandria die erste Windmühle, welche eine Orgel antrieb. 15. Wie hoch sind die ungefähren Kosten für ein Windrad? Je nach Typ, Größe und Position sind zwischen und 2 Millionen Euro möglich. 16. Wie entsteht Wind und wie wird er gemessen? Wind entsteht durch Druckunterschiede in der Atmosphäre. Seine Geschwindigkeit kann in m/s oder km/h angegeben werden. Eingebürgert hat sich jedoch die Beaufort-Skala, die 1806 von Francis Beaufort eingeführt wurde. Sie orientiert sich an den Auswirkungen von Wind (z.b. auf Segelschiffe) oder auf Wirkungen am Land (Zerstörungen). Bis 5 Bft (33 km/h) spricht man von einer Brise, ab 9 Bft (81 km/h) von Sturm und ab 12 Bft (125 km/h) von Orkan. Windsäcke zeigen die Richtung und Stärke des Windes. 17. Wie könnte es zu Energieverlusten kommen? Durch Windreibung kann es zu Verlusten kommen, wodurch der Wirkungsgrad noch etwas sinkt. 18. Warum ist die Windenergie als Alternative zur Kernenergie in aller Munde? Weil es sich um eine nachhaltige Möglichkeit handelt, Energie zu erzeugen. Die benötigte Ressource in Form von Wind ist theoretisch unbegrenzt verfügbar und erneuerbar. 19. Wie schnell drehen sich die Rotorblätter durchschnittlich? Moderne Rotoren drehen sich bei 40 km/h Windgeschwindigkeit an der Spitze mit bis zu 300 km/h quer zum Wind. 20. Inwiefern kommt die Solarenergie bei dieser Energiegewinnung zum Tragen? Solarenergie kann den nötigen Input liefern, um das Windrad in Gang zu setzen, bzw. in windschwachen Zeiten aushelfen.

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