Lestungsbeiwert

Das Verhältnis zwischen der Primärenergie (der Wind der durch die Rotorfläche durchweht) und der produzierten Endenergie (die Elektrizität) wird Leistungsbeiwert cp genannt. Er beschreibt die Effizients einer Windkraftanlage. Der maximale theoretische Leistungsbeiwert liegt nach dem Betz’schen Gesetz bei 0,59 für einen Schnellläufer. Der eigentliche Leistungsbeiwert einer Windkraftanlage ist jedoch für jede Betriebsbedingung (Windgeschwindigkeit, Turbulenzintensität) und für jede Bauart (Schnelllaufzahl, Achse, etc.) oder jedes Modell der Windkraftanlage unterschiedlich.

Leistungsbeiwert und Schnelllaufzahl

Abb: Theoretischer Leistungsbeiwert eines Schnellläufers
Abb: Theoretischer Leistungsbeiwert eines Schnellläufers

Der Leistungsbeiwert verändert sich mit der Schnelllaufzahl und erreicht seinen maximalen Wert für eine Schnelllaufzahl von ca. 7 (d.h. wenn die Geschwindigkeit an der Blattspitze 7 Mal schneller als die Windgeschwindigkeit ist). 

Auf dem oben dargestellte Bild sieht man den Leistungsbeiwert einer typischen Windkraftanlage mit 3 Blättern. Dort sieht man, dass der Wirkungsgrad für eine Schnelllaufzahl von ca. 7 am höchsten ist und liegt für diese Zahl um rund 0,52. Dies ist auf Grund von aerodynamischen und mechanischen Verlusten deutlich niedriger als der theoretische Maximalwert (cpmax=0,59). Beim Langsamläufer (Westernmills, Windmühle, etc.) ist der maximale Leistungsbeiwert niedriger (0,42) und ist für eine deutlich niedrigere Schnelllaufzahl erreicht (1,4). Die Langsamläufer sind dann viel langsamer und weniger effizient als Schnellläufer. 



 

Leistungsbeiwert und Windgeschwindigkeit

Der Leistungsbeiwert einer Anlage variiert mit der Bauart (Schnelllaufzahl, Rotorachse, etc.) sowie den Betriebsbedingungen (Windgeschwindigkeit, Turbulenzintensität) der Anlage. Jedes Modell hat seine eigene Kurve der Leistungsbeiwerte.

Abb: Kurven der Leistungsbeiwerte in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit für drei verschiedene Windkraftanlagen der 600 kW-Klasse: Enercon E-40, REpower 48/600 und Vestas V47/660
Abb: Kurven der Leistungsbeiwerte in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit für drei verschiedene Windkraftanlagen der 600 kW-Klasse: Enercon E-40, REpower 48/600 und Vestas V47/660

 

Auf der oben dargestellten Graphik sind die Leistungsbeiwerte verschiedener Windkraftanlagen der 600 kW-Klasse in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit aufgeführt. Der Leistungsbeiwert nimmt ab der Anschaltungsgeschwindigkeit sehr schnell zu, erreicht sein Optimum für eine Windgeschwindigkeit von 7,5 bis 9,5 m/s und nimmt danach langsam bis zur Abschaltgeschwindigkeit ab. Unter 3 m/s beträgt der Leistungsbeiwert null, weil dann die Anlage ausgeschaltet ist. Wenn nicht sehr viel Energie zur Verfügung steht, liegt das an der geringeren Windgeschwindigkeit und dem niedrigen Leistungsbeiwert. Der Leistungsbeiwert wird bei größeren Windgeschwindigkeiten vermindert, um die Leistung der Anlage zu begrenzen. Die verschiedener Leistungsbegrenzungssysteme bestimmen die Unterschiede zwischen den verschiedenen Windkraftanlagenmodellen (Stall- oder Pitch-Regelung), Bauarten (ohne oder mit Getriebe), Rotorflächen, Nennwindgeschwindigkeiten oder Verlusten. 

 

Leistungsbeiwert und Wirtschaftlichkeit

Der Leistungsbeiwert ist auch noch wichtig um die Rotorfläche und die Verluste zu minimieren, aber er ist für die Wirtschaftlichkeit nicht von Bedeutung. Der maximale Leistungsbeiwerte kann nicht von allein erreicht werden, sondern nur mit Hilfe sehr präziser (und kostspieliger) Blattprofile sowie geeigneter Mechanik und Elektronik. Wichtiger für den Netz- sowie den Windparkbetreiber ist der Preis pro erzeugte Kilowattstunde.