Windrad verstehen

In den Vereinigten Staaten ist eine Windkraftanlage heute eine der gebräuchlichsten und saubersten Arten der Stromerzeugung. Diese Stromerzeugung erfolgt von einem riesigen Windpark bis hin zu kleinen Turbinen, die ein einzelnes Haus mit Strom versorgen. Windkraftanlagen auf der ganzen Welt produzieren sauberen Strom, der in der Lage ist, eine Vielzahl von Energieanforderungen zu erfüllen.

Heute lernen Sie Definition, Anwendungen, Funktion, Komponenten, Diagramm, Typen und Funktionsweise einer Windkraftanlage kennen. Außerdem lernen Sie die Vor- und Nachteile dieser Art von Windenergieanlagen kennen.

Was ist eine Windkraftanlage?

Eine Windkraftanlage ist eine Maschine, die kinetische Energie des Windes in sauberen Strom umwandelt. Es kann auch als ein Gerät angesehen werden, das die kinetische Energie des Windes in saubere, erneuerbare elektrische Energie umwandelt.

Die Turbine hat Schaufeln, die sich zwischen 13 und 20 Umdrehungen pro Minute drehen, obwohl dies von ihrer Technologie abhängt. Dies kann an einer konstanten oder variablen Geschwindigkeit liegen, d.h. die Geschwindigkeit des Rotors unterscheidet sich in Relation zur Windgeschwindigkeit. Dies trägt oft zu einer höheren Effizienz bei.

Windkraftanlagen sind für eine durchschnittliche Lebensdauer von über 25 Jahren ausgelegt. Die schnelle Entwicklung der Windtechnologie hat zu einer Steigerung der Lebensdauer und Nutzbarkeit von Windkraftanlagen geführt.

Windkraftanlagen haben eine große Auswahl an Größen und Typen, entweder horizontale oder vertikale Achsen. Sie können als Windparks bezeichnet werden wo Hunderttausende von großen Turbinen installiert sind. Sie erzeugen über 650 Gigawatt Strom, wobei jedes Jahr 60 GW hinzukommen, was sie zu einer immer wichtigeren Quelle für intermittierende erneuerbare Energie macht. Die meisten Länder setzen Windkraftanlagen ein, um die Energiekosten zu senken und den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu reduzieren.

Anwendungen von Windturbinen

Die Einsatzmöglichkeiten einer Windkraftanlage sind so vielfältig, da Energie in fast allen Phänomenen des Menschen benötigt wird. Seit der frühen Nutzung der Windenergie wird diese zur Erzeugung mechanischer Energie genutzt. Bereits 5000 v. Chr. nutzen die Ägypter die Windenergie, um Boote entlang des Nils anzutreiben. Amerikanische Kolonisten nutzen das System, um Wasser zu pumpen, Getreide zu mahlen und Holz in Sägewerken zu schneiden.

Heute werden kleinere Windturbinen für Anwendungen wie Verkehrswarnschilder, Batterieladung für Hilfsenergie für Boote oder Wohnwagen verwendet. Die größeren Turbinen sind so konzipiert, dass sie zur häuslichen Stromversorgung beitragen, da der ungenutzte Strom über das Stromnetz an den Energieversorger zurückverkauft wird.

Darüber hinaus sollen sie an großen Turbinen Strom ins Netz einspeisen, der von 100 Kilowatt bis zu mehreren Megawatt reicht. Diese Turbinen im Versorgungsmaßstab werden oft in Windparks zusammengefasst, damit eine größere Menge Strom produziert werden kann. Genug produzierter Strom wird in der Lage sein, Zehntausende von Haushalten mit Strom zu versorgen.

In kleinen Windkraftanlagen sind sie typischerweise in der Nähe der Anwendungen, die mit Strom versorgt werden, beispielsweise in der Nähe von Wasserpumpstationen, Häusern, Telekommunikationsschüsseln usw. Sie erzeugen bis zu 100 Kilowatt. Diese Turbine ist manchmal mit Dieselgeneratoren, Batterien und Photovoltaikanlagen verbunden. Es wird auch als hybrides Windsystem bezeichnet.

Schließlich sind die Offshore-Windkraftanlagen tendenziell massiv und höher. Sie sind in der Lage, starke Meereswinde einzufangen und eine enorme Energiemenge von etwa 4.000 Gigawatt Strom zu erzeugen. Es wird in vielen Ländern oft verwendet, um starke Energie zu nutzen.

Hinweis :Die Hauptfunktion einer Windkraftanlage besteht darin, Strom zu erzeugen oder ihn direkt für mechanische Energie zu nutzen.

Komponenten einer Windkraftanlage

Windkraftanlagen wandeln Windenergie in elektrische Energie zur Verteilung um. Nachfolgend sind die Komponenten herkömmlicher Turbinen mit horizontaler Achse aufgeführt.

• Der Rotor – er kostete ungefähr 20 % der Gerätekosten, einschließlich der Blätter, die die Windenergie in Rotationsenergie mit niedriger Geschwindigkeit umwandeln.
• Generator – es kostete etwa 34 % der Windturbinenkosten, einschließlich des elektrischen Generators, der Steuerelektronik und höchstwahrscheinlich des Getriebes (z. B. Planetengetriebe), des Antriebs mit einstellbarer Drehzahl oder des stufenlosen Getriebes. Diese Windturbinenkomponenten sind dafür verantwortlich, die eingehende Rotation mit niedriger Geschwindigkeit in eine Rotation mit hoher Geschwindigkeit umzuwandeln, die zur Stromerzeugung geeignet ist.
• Umgebende Struktur – etwa 15 % der Windturbinenkosten, einschließlich des Turms und des Rotor-Giermechanismus.

Schaubild einer Windenergieanlage:

Arten von Windkraftanlagen

Es gibt grundsätzlich zwei Arten von Windkraftanlagen:die horizontale Achse und die vertikale Achse.

Windturbinen mit horizontaler Achse:

Die meisten Windkraftanlagen werden heute mit horizontaler Achse verwendet, was bedeutet, dass die Rotorblätter im Propellerstil so konstruiert sind, dass sie sich um eine horizontale Achse drehen. Diese Arten von Windkraftanlagen sind entweder gegen den Wind, dh der Wind trifft vor dem Turm auf die Rotorblätter. Downwind ist der andere Typ, bei dem der Wind vor den Rotorblättern auf den Turm trifft.

Der Aufwind verwendet einen Gierantrieb und einen Motor, Komponenten, die die Gondel drehen, um den Rotor bei einer Richtungsänderung dem Wind zugewandt zu halten. Dies wird durch einen Windsensor erreicht, der bei größeren Anlagen am Azimutsystem montiert ist. Kleine Turbinen werden durch eine einfache Windfahne zugespitzt.

Eine Windkraftanlage mit horizontaler Achse wird als HAWT abgekürzt. Es ist heute üblich, dass große dreiblättrige Windturbinen mit horizontaler Achse, deren Blätter in Windrichtung des Turms liegen, heute den überwältigenden Großteil der Windenergie auf der Welt erzeugen.

Die Vorwind-Turbinentypen wurden gebaut, um einige zusätzliche Mechanismen zu eliminieren, um sie in einer Linie mit dem Wind zu halten. Seine Blätter sind so konstruiert, dass sie sich bei starkem Wind biegen, was ihre überstrichene Fläche und damit ihren Windwiderstand verringert.

Trotz der Vorteile, die Downwind bietet, werden Upwind-Designs immer noch bevorzugt. Dies liegt daran, dass eine Änderung der Belastung durch den Wind, wenn jedes Blatt hinter dem Stützturm vorbeigeht, die Turbine beschädigen kann.

Windturbinen mit vertikaler Achse:

Bei Windkraftanlagen mit vertikaler Achse oder VAWTs ist die Hauptrotorwelle vertikal angeordnet. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, dass es nicht erforderlich ist, dass die Turbine aus Gründen der Effektivität in den Wind zeigt. Dies ist ein Vorteil für Standorte mit stark wechselnder Windrichtung. Es ist auch ein Vorteil, wenn die Turbine in ein Gebäude integriert ist, da sie von Natur aus weniger steuerbar ist.

Bei diesen Arten von Windenergieanlagen können Generator und Getriebe in Bodennähe platziert werden, indem ein direkter Antrieb von der Rotorbaugruppe zum bodengestützten Getriebe verwendet wird. Dies verbessert die Zugänglichkeit für die Wartung. Allerdings bieten diese Designs im Zeitverlauf viel weniger Energie, was ein großer Nachteil ist.

Die vertikalen Turbinentypen haben einen viel geringeren Wirkungsgrad als die horizontalen Designs. Eine relativ niedrige Drehzahl mit dem daraus resultierenden höheren Drehmoment und höheren Kosten des Antriebsstrangs wirkt sich auch auf das System aus. Diese Arten von Windturbinen fallen in zwei Hauptkonstruktionen:

Drag-based oder Savonius-Turbine – Sie haben im Allgemeinen Rotoren mit massiven Flügeln, die sich um eine vertikale Achse drehen.

Lift-basierte oder Darrieus-Turbine – haben einen hohen, vertikalen Flügelstil, obwohl einige eine Schneebesenform zu haben scheinen. Ein Windturm ist eine Art auftriebsbasierte Turbine, obwohl er noch unabhängigen Tests unterzogen wird.

Funktion einer Windkraftanlage

Die Funktionsweise einer Windkraftanlage ist weniger komplex und lässt sich leicht nachvollziehen. Die meisten Windkraftanlagen bestehen aus drei Flügeln, obwohl solche mit zwei Flügeln üblich sind. Diese Schaufeln sind an einem Turm aus Stahlrohr montiert. Die Turbine nutzt schnellere Windgeschwindigkeiten in größeren Höhen, da sich der Turm 100 Fuß oder mehr über dem Boden befindet.

Die Energie des Windes wird mit den propellerähnlichen Blättern eingefangen, die wie ein Flugzeugflügel aussehen. Wenn also der Wind weht, bildet sich auf einer Seite des Rotorblatts eine Luftblase mit niedrigem Druck. Diese Lufttasche mit niedrigem Druck zieht dann das Blatt zu sich hin, wodurch sich der Rotor dreht. Dies wird als Auftrieb bezeichnet. Die Kraft der Linken ist viel stärker als die Windkraft gegen die Vorderseite des Blattes, die als Luftwiderstand bezeichnet wird. Die Kombination aus Auftrieb und Widerstand bewirkt, dass sich der Rotor wie ein Propeller dreht.

Eine Reihe von Zahnrädern wird verwendet, um die Rotation des Rotors von etwa 18 Umdrehungen pro Minute zu erhöhen. Das sind ungefähr 1.800 Umdrehungen pro Minute, wodurch der Generator der Turbine Wechselstrom erzeugen kann.

Wie bereits erwähnt, ist die Gondel ein Teil, der einige wichtige Turbinenkomponenten beherbergt. Dazu gehören Rotoren, Getriebe und Generatoren, die auf dem Turbinenturm montiert sind. Diese Gondeln sind groß genug. Ein weiterer wichtiger Teil ist die Turbinensteuerung, die verhindert, dass die Rotorgeschwindigkeit 55 mph überschreitet. Dies trägt dazu bei, das System vor starkem Wind zu schützen.

Ein Anemometer wird in einem System verwendet, um die Windgeschwindigkeit kontinuierlich zu messen und die Daten an die Steuerung zu senden. Die Gondel enthält auch eine Bremse, die den Rotor im Notfall mechanisch, elektrisch oder hydraulisch stoppt.

Sehen Sie sich das folgende Video an, um mehr über die Funktionsweise von Windkraftanlagen zu erfahren:

Vor- und Nachteile von Windkraftanlagen

Vorteile:

Nachfolgend sind die Vorteile von Windkraftanlagen in ihren verschiedenen Anwendungen aufgeführt:

• HAWT mit einem hohen Turm und einer Basis bieten Zugang zu einem stärkeren Wind an Standorten mit Windscherung.
• Hoher Wirkungsgrad, da sich die Rotorblätter senkrecht zum Wind bewegen und während der gesamten Drehung in HAWT mit Strom versorgt werden.

Für VAWT

• Sie produzieren Strom in jeder Windrichtung
• Geringe Produktionskosten im Vergleich zu Windturbinen mit horizontaler Achse.
• Ein starker Stützturm ist nicht erforderlich
• Einfach von einem Ort zum anderen zu transportieren
• Geringe Wartungskosten.
• Kann im Stadtgebiet installiert werden.

Nachteile

Trotz der guten Vorteile dieser Art von Windturbinen treten immer noch einige Einschränkungen auf. Nachfolgend sind die Nachteile einer Windkraftanlage aufgeführt.

Für HAWT:

• Ein massiver Turmbau ist erforderlich.
• Komponenten wie Getriebe, Rotorwelle und Bremsbaugruppe werden in Position gehoben.
• Downwind-Varianten leiden unter Ermüdung und strukturellem Versagen.

Für VAWT:

• Effizienz ist im Vergleich zu HAWT sehr gering.
• Es wird eine hohe Vibration erfahren.
• Lärmbelästigung entsteht.
• Aufgrund von Vibrationen erhöht sich der Lagerverschleiß, was zu hohen Wartungskosten führt.
• Der anfängliche Push-to-Start ist erforderlich.

Schlussfolgerung

Windkraftanlagen sind Maschinen, die kinetische Energie des Windes in sauberen Strom umwandeln. Es gibt zwei Arten, die als HAWT und VAWT abgekürzt werden. Das ganze funktioniert anders und bietet einen anderen Nutzen. Das ist alles für diesen Artikel, in dem wir Definition, Anwendungen, Funktion, Komponenten, Diagramm, Typen und Funktionsweise einer Windkraftanlage erklärt haben. Außerdem listen wir die Vor- und Nachteile dieser Windkraftanlagen auf.

Ich hoffe, Sie haben viel von diesem Beitrag mitgenommen, wenn ja, teilen Sie ihn bitte mit anderen Schülern. Danke fürs Lesen. Bis zum nächsten Mal!