Windkraft

Windkraft

Wind ist eine Form der Sonnenenergie. Winde werden durch die ungleichmäßige Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne, die Unregelmäßigkeiten der Erdoberfläche und die Rotation der Erde verursacht. Windströmungsmuster werden durch das Gelände, die Gewässer und die Vegetationsdecke der Erde modifiziert. Windenergie ist die kinetische Energie der Luft in Bewegung. Diese Windenergie kann geerntet werden. Windkraft ist die Umwandlung dieser Windenergie in eine nützliche Energieform, wie z. B. elektrische Energie durch den Einsatz von Windturbinen, mechanische Energie durch den Einsatz von Windmühlen, das Pumpen oder Ablassen von Wasser durch Windpumpen und als Segel zum Antrieb von Schiffen. Windenergie ist eine erneuerbare oder nicht-konventionelle Energiequelle. Dies ist eine saubere und umweltfreundliche Energiequelle. Es ist in vielen Teilen der Welt in großen Mengen verfügbar. Bei der Stromerzeugung entstehen keine Treibhausgase.

Die Gesamtmenge an wirtschaftlich gewinnbarer Energie aus Wind ist sehr hoch. Axel Kleidon vom Max-Planck-Institut in Deutschland führte eine „Top-down“-Berechnung darüber durch, wie viel Windenergie vorhanden ist, beginnend mit der einfallenden Sonnenstrahlung, die die Winde antreibt, indem sie Temperaturunterschiede in der Atmosphäre erzeugt. Er kam zu dem Schluss, dass irgendwo zwischen 18 TW und 68 TW (Terawatt, was einer Billion Watt entspricht) extrahiert werden könnten. Cristina Archer und Mark Z. Jacobson stellten eine „Bottom-up“-Schätzung vor, die auf tatsächlichen Messungen der Windgeschwindigkeiten basiert. Nach dieser Schätzung stehen 1700 TW Windenergie in einer Höhe von 100 Metern über Land und Meer zur Verfügung. Aus dieser verfügbaren Leistung könnten zwischen 72 und 170 TW praktisch und kostengünstig entnommen werden. Sie schätzten es später auf 80 TW. Untersuchungen an der Harvard University schätzen jedoch durchschnittlich 1 Watt/m² und 2 bis 10 MW/km² Kapazitäten für große Windparks, was darauf hindeutet, dass diese Schätzungen der gesamten globalen Windressourcen um einen Faktor von etwa 4 zu hoch sind.

Die Stromerzeugung aus Windenergie erfolgt mit Hilfe von Windkraftanlagen. Jede Windkraftanlage ist mit einem Generator (Lichtmaschine) gekoppelt. Einfach gesagt ist eine Windkraftanlage das Gegenteil eines Ventilators. Anstatt Strom zu verwenden, um Wind zu erzeugen, wie ein Ventilator, verwenden Windturbinen Wind, um Strom zu erzeugen. Der Wind dreht die Blätter, die eine Welle drehen, die mit einem Generator verbunden ist, um Strom zu erzeugen. Mehrere Turbinen werden zusammengeschaltet, um die gewünschte Leistung zu erzielen. Diese Anordnung aus einer großen Anzahl von Windkraftanlagen wird als Windpark bezeichnet. Ein Windpark wird normalerweise dort errichtet, wo die Windgeschwindigkeit ausreicht, um das Turbinenblatt zu bewegen.

Strom aus Windenergie

Die Nutzung der Windenergie zur Stromerzeugung nimmt sehr schnell zu. Windkraft verwendet Windturbinen, um die Energie der sich bewegenden Luft zu gewinnen und diese Energie in Strom umzuwandeln. Das Prinzip der Erzeugung von Windkraft aus Windenergie ist wie folgt.

Die gesamte Windenergie, die während der Zeit t durch eine imaginäre Fläche A fließt, ist durch die folgende Gleichung gegeben

Wo ? ist die Luftdichte, v ist die Windgeschwindigkeit, Avt ist das Luftvolumen, das durch A strömt (was senkrecht zur Windrichtung betrachtet wird), Avt? ist also die Masse m Durchgang pro Zeiteinheit. Beachten Sie, dass ½ ?v ² ist die kinetische Energie der sich bewegenden Luft pro Volumeneinheit.

Leistung ist Energie pro Zeiteinheit, daher ist die auf A einfallende Windkraft (z. B. gleich der Rotorfläche einer Windkraftanlage):

Aus der obigen Gleichung wird Folgendes abgeleitet.

• Die Leistung ist direkt proportional zur Luftdichte ?. Mit zunehmender Luftdichte steigt die Leistung der Turbine.
• Die Leistung ist direkt proportional zur überstrichenen Fläche der Turbinenschaufeln. Wenn die Blattlänge erhöht wird, erhöht sich der Radius des überstrichenen Bereichs entsprechend, sodass die Turbinenleistung zunimmt.
• Die Windkraft variiert auch mit der Geschwindigkeit und ist in einem Freiluftstrom proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit (v). Die verfügbare Leistung erhöht sich um das Achtfache, wenn die Windgeschwindigkeit verdoppelt wird. Windkraftanlagen für Netzstrom müssen daher bei höheren Windgeschwindigkeiten besonders effizient sein.

Windturbinen

In Windkraftanlagen nutzt die Windkraftanlage kinetische Energie, die im Wind vorhanden ist, um die Antriebsmaschine der Lichtmaschine (Generator) zu drehen und Strom zu erzeugen. Wenn ausreichend Wind auf die Flügel der Turbine trifft, drehen sie sich. Blätter sind mit einem Rotor gekoppelt. Wenn sich also die Blätter bewegen, bewegt sich auch der Rotor. In einer Windkraftanlage steuern Pitch-Systeme die Drehzahl des Rotors. Der Rotor ist mit der langsamlaufenden Welle verbunden. Diese langsam laufende Welle ist über ein Getriebesystem mit der schnell laufenden Welle des Generators verbunden. Das Getriebe erhöht die Drehzahl der Generatorwelle auf die normale Drehzahl eines herkömmlichen Generators. Dieser Hochgeschwindigkeitsgenerator erzeugt Strom.

Windkraftanlagen bestehen auch aus einer Steuerung, wann die Maschine gestartet oder gestoppt werden soll. Normalerweise werden Windenergieanlagen in einem Bereich von Windgeschwindigkeiten betrieben. Wenn die Windgeschwindigkeit die untere Grenze überschreitet, wird die Turbine gestartet und die Turbine automatisch gestoppt, wenn die Windgeschwindigkeit die obere Grenze erreicht, die auch als Überlebenswindgeschwindigkeit bekannt ist. Alle Windkraftanlagen sind auf diese maximale Windgeschwindigkeit (Überlebenswindgeschwindigkeit) ausgelegt

Windkraftanlagen verfügen über einen Anemometer, der die Windgeschwindigkeit ermittelt und regelmäßig Informationen an die Steuerung sendet, ob die Windgeschwindigkeit hoch ist oder nicht. Die Bremse stoppt im Notfall den Rotor mechanisch, elektrisch oder hydraulisch. Windkraftanlage enthält auch Windfahne, Gierantrieb und Giermotor. Ihre Funktionen bestehen darin, die Windrichtung zu messen und Windkraftanlagen so einzustellen, dass sie vor dem Wind bleiben, wenn sich die Windrichtung ändert.

Generell gibt es zwei Arten von Windkraftanlagen. Windturbine mit horizontaler Achse (HAWT) und Windturbine mit vertikaler Achse (VAWT). Die horizontale Achse ist gegen den Wind und gegen den Wind unterteilt, während die vertikale Achse als Widerstands- und Auftriebsbasis unterteilt ist.

Bei der HAWT-Aufwindturbine sind die Welle der Turbine und des Generators horizontal ausgerichtet und die Turbinenschaufeln befinden sich an der Vorderseite der Turbine, was bedeutet, dass Luft vor dem Turm auf die Turbinenschaufeln trifft. Bei der HAWT-Windturbine sind die Wellen des Rotors und des Generators ebenfalls horizontal angeordnet, aber die Turbinenblätter sind nach der Turbine angeordnet, was bedeutet, dass der Wind vor den Blättern auf den Turm trifft.

Wenn wir VAWT-Turbinen auf Widerstandsbasis beobachten, befindet sich die Generatorwelle vertikal mit den nach oben positionierten Blättern, und die Turbinen sind normalerweise auf dem Boden oder auf einem winzigen Turm montiert. Bei einer auf VAWT-Auftrieb basierenden Turbine wird die Generatorwelle vertikal mit der Blattposition nach oben platziert. Die meisten großen modernen Windkraftanlagen sind aufgrund ihres hohen Wirkungsgrades Anlagen mit horizontaler Achse. Da sich die Blätter immer senkrecht zum Wind bewegen und über die gesamte Rotation hinweg Kraft erhalten. Die Turbine hat die folgenden Hauptkomponenten.

• Blatt oder Rotor, der die Energie des Windes in Rotationswellenenergie umwandelt
• Antriebsstrang mit Getriebe und Generator
• Turm, der den Rotor und den Antriebsstrang trägt
• Balance-Ausrüstung umfasst Steuerungen, elektrische Kabel, Bodenunterstützungsausrüstung und Verbindungsausrüstung.

Die Komponenten einer Windkraftanlage sind in Abb. 1

 Abb. 1 Komponenten einer Windkraftanlage

Ein Windpark ist eine Gruppe von Windturbinen am selben Standort, die zur Stromerzeugung genutzt werden. Ein großer Windpark kann aus mehreren hundert einzelnen Windenergieanlagen bestehen, die über eine ausgedehnte Fläche verteilt sind, aber das Land zwischen den Anlagen kann landwirtschaftlich oder anderweitig genutzt werden. Ein Windpark kann sich auch vor der Küste befinden.

Fast alle großen Windkraftanlagen haben normalerweise das gleiche Design, das aus einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse besteht, die einen gegen den Wind gerichteten Rotor mit drei Blättern aufweist, die an einer Gondel auf einem hohen röhrenförmigen Turm befestigt sind. In einem Windpark sind einzelne Turbinen mit einer Mittelspannung (ca. 33 kV), einem Stromabnahmesystem und einem Kommunikationsnetz miteinander verbunden. In einem Umspannwerk wird dieser Mittelspannungsstrom mit einem Transformator für den Anschluss an das elektrische Hochspannungsübertragungssystem in der Spannung erhöht.

Die Designspezifikation für eine Windkraftanlage basiert normalerweise auf einer Leistungskurve und einer garantierten Verfügbarkeit. Der typische Betriebstemperaturbereich liegt zwischen 20 und 40 Grad C. In Gebieten mit extremem Klima und heißem Wetter sind Versionen erforderlich. Windturbinen können gemäß IEC 61400 Standards entworfen und validiert werden.

Die Aerodynamik einer HAWT ist etwas kompliziert. Der Luftstrom an den Schaufeln ist nicht derselbe wie der Luftstrom weit weg von der Turbine. Die Aerodynamik an der Rotoroberfläche weist Phänomene auf, die in anderen aerodynamischen Bereichen selten zu beobachten sind. 1919 zeigte der Physiker Albert Betz, dass für eine ideale Windenergie-Gewinnungsmaschine die Grundgesetze der Erhaltung von Masse und Energie es zuließen, nicht mehr als 59,3 % der kinetischen Energie des Windes einzufangen. Moderne Turbinen nähern sich dieser Betz-Gesetz-Grenze und können 60 % bis 70 % dieser theoretischen Grenze erreichen

Windkraftanlagen sind normalerweise so ausgelegt, dass sie bei einem weiten Bereich von Windgeschwindigkeiten ein Maximum an Leistung erzeugen. Alle Windenergieanlagen sind in der Regel auf eine maximale Windgeschwindigkeit ausgelegt. Windkraftanlagen haben die folgenden drei Betriebsmodi.

• Betrieb unter Nennwindgeschwindigkeit
• im Bereich der Nennwindgeschwindigkeit (normalerweise bei Typenschildkapazität)
• Betrieb über Nennwindgeschwindigkeit

Bei Überschreitung der Nennwindgeschwindigkeit muss die Leistung begrenzt werden. Dies geschieht auf unterschiedliche Weise. Ein Steuersystem umfasst drei grundlegende Elemente, bestehend aus Sensoren zum Messen von Prozessvariablen, Aktuatoren zum Manipulieren der Energieaufnahme und Komponentenbelastung und Steueralgorithmen zum Koordinieren der Aktuatoren basierend auf den von den Sensoren gesammelten Informationen.

Weitere Themen der Windkraft

• Da die Windgeschwindigkeit nicht konstant ist, ist die jährliche Energieproduktion eines Windparks nie so hoch wie die Summe der auf dem Typenschild des Generators angegebenen Werte multipliziert mit der Gesamtzahl der Stunden in einem Jahr. Das Verhältnis der tatsächlichen Produktivität in einem Jahr zu diesem theoretischen Maximum wird als Anlagenauslastungsfaktor (PLF) bezeichnet. Typische erzielte PLF sind 15 % bis 40 %. Höhere PLF-Werte am oberen Ende des Bereichs werden an günstigen Standorten erreicht und sind auf Verbesserungen des Windkraftanlagendesigns zurückzuführen.
• Windkraft erleidet kaum jemals größere technische Ausfälle, da Ausfälle einzelner Windkraftanlagen kaum Auswirkungen auf die Gesamtleistung haben, sodass die verteilte Windenergie sehr zuverlässig und vorhersehbar ist.
• Obwohl Windkraftanlagen im Vergleich zu Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen relativ geringe Auswirkungen auf die Umwelt haben, gibt es einige Bedenken wegen des von den Rotorblättern erzeugten Lärms, der ästhetischen (visuellen) Auswirkungen und der Tötung von Vögeln durch den Flug in die Rotoren .
• Die größte Herausforderung bei der Nutzung von Wind als Energiequelle besteht darin, dass er intermittierend ist, da Wind nicht immer weht, wenn Strom benötigt wird. Wind kann nicht gespeichert werden (obwohl durch Wind erzeugter Strom gespeichert werden kann, wenn Batterien verwendet werden), und nicht alle Winde können genutzt werden, um den zeitlichen Bedarf an Strom zu decken. Außerdem befinden sich gute Windstandorte oft an abgelegenen Orten, weit entfernt von Gebieten mit Strombedarf.
• Die Erschließung von Windressourcen soll mit anderen Nutzungen des Landes konkurrieren, und diese alternativen Nutzungen haben möglicherweise einen höheren Stellenwert als die Stromerzeugung. Windkraftanlagen können jedoch auch auf Flächen stehen, die gleichzeitig beweidet oder sogar landwirtschaftlich genutzt werden.






Metallurgische Aspekte der Stahlverzinkung Solar-Photovoltaik-Energie