Windkraftanlagen: Typen, Bauformen, Vorteile

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-17 10:23

Die Windenergie ist noch lange kein neuer Zweig der Energieversorgung, wird aber unter den aktuellen Bedingungen immer deutlicher zu einer zukunftsträchtigen Richtung für die weitere Entwicklung. Es ist immer noch schwierig, von universellen Konzepten für die technische Umsetzung von Windgeneratoren zu sprechen, aber die Fortschritte beim Einsatz individueller Ingenieurlösungen deuten darauf hin, dass in naher Zukunft ein einziges einheitliches Strukturmodell erscheinen wird. Gleichzeitig werden weltweit mehrere Arten von Windenergieanlagen verwendet, von denen jede ihre eigenen Stärken hat.

Allgemeines Funktionsprinzip von Windkraftanlagen

Wie die meisten modernen alternativen Energiequellen arbeitet die Windkraftanlage aufgrund der wirkenden Kraft als Ergebnis eines natürlichen Prozesses. Wir sprechen von Windströmungen, die aus ungleichmäßiger Erwärmung resultierenErdoberfläche durch die Sonne. Fast alle Windkraftanlagen arbeiten nach folgendem Prinzip: Luftströme drehen das Rad auf einer speziellen Welle mit Flügeln und übertragen so Drehmoment auf den Generator oder Batteriepack. Bei Stabilität und ausreichender Luftbewegung können Windmühlen zur Stromerzeugung einen Wirkungsgrad von 45-50% erreichen. Gerade die Variabilität des Windes und seiner Stärke bestimmt die unterschiedlichsten Bauformen von Windenergieanlagen, die auch nach spezifischen klimatischen Einsatzbedingungen berechnet werden.

Was sind die Hauptvorteile von Windkraftanlagen?

Die Effizienz von Windkraftanlagen lässt sich sowohl im Vergleich zu herkömmlichen Energiequellen als auch vor dem Hintergrund von Generatoren bewerten, die mit nachwachsenden freien Ressourcen betrieben werden. Die ausgeprägtesten Vorteile solcher Systeme, die auf eine erfolgreiche Entwicklung in der Zukunft hoffen lassen, sind die folgenden Faktoren:

• Windenergie selbst ist nicht nur erneuerbar, sondern kann auch gespeichert und verarbeitet werden.
• Wirtschaftlicher Nutzen. Eindeutige Einschätzungen zu bestimmten wirtschaftlichen Kennziffern können aufgrund der Vielf alt der mit unterschiedlicher Leistungsfähigkeit arbeitenden Systeme noch nicht erfolgen. Aber wir können über die herausragenden Ergebnisse einzelner Projekte sprechen. Wie viel kostet zum Beispiel ein Kilowatt Strom aus einer großen Offshore-Windmühle? Wir können über den Bereich von 2-12 Rubel sprechen. für 1 kWh.
• Umweltfreundlich. Der Betrieb von Windkraftanlagen ist nicht schädlichLuftschadstoffemissionen.
• Kompakt. Die Installation einer Windkraftanlage, auch im industriellen Format, ist nicht mit herkömmlichen Kraftwerken zu vergleichen. Dies ist größtenteils auf die Autonomie und Unabhängigkeit solcher Systeme von Hilfskommunikation und -ressourcen zurückzuführen.

Generatoren für horizontale Achsen

Das Konstruktionsschema solcher Windmühlen sieht das Vorhandensein eines elektrischen Generators, eines Getriebes, von Blättern und eines Turms mit einem Rahmen vor. Die Konfiguration der Schaufeln ist so ausgeführt, dass die Luft in den Trichter strömt, wodurch ein Torsionsmoment entsteht. Eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb solcher Windmühlen zur Stromerzeugung ist die Fähigkeit, sich an die Eigenschaften der Bewegung von Strömungen (Richtung und Stärke) anzupassen. Dazu sind die Strukturen mit Mechanismen zum Drehen und Neigen der Schaufeln in Bezug auf die Erdoberfläche versehen. In den fortschrittlichsten Modellen werden auch Controller mit automatischer Steuerung verwendet. Bei der Implementierung des Windrads wird die Dreiblattkonfiguration häufiger in horizontalen Schemata verwendet. Um die Leistung von Generatoren zu steigern, tendieren Ingenieure außerdem dazu, das funktionale Aufnahmeteil zu vergrößern, was beispielsweise den aktuellen Trend zum Übergang von Kunststoff und Leichtmetallen zu teuren Verbundelementen in der Konstruktion erklärt.

Generatoren für vertikale Achsen

Solche Generatoren haben einen erheblichen Vorteil gegenüber horizontalen Strukturen,was darin besteht, dass keine zusätzlichen Mittel zur Überwachung und Steuerung der Anlage erforderlich sind. Das heißt, im Betrieb passt sich eine Windmühle mit vertikaler Achse in keiner Weise an die Bewegung der Strömungen an. Dieses Merkmal der Wechselwirkung mit Luftmassen reduziert gleichzeitig die Spannung in den Windgeneratorblättern und reduziert Kreiselbelastungen. Der Getriebegenerator, der den Motor der Anlage bildet, kann ohne Beschädigungs- oder Ausfallrisiko am Fuß des Strukturturms untergebracht werden. Aber warum haben vertikale Installationen mit den beschriebenen Vorteilen nicht vollständig horizontale Windmühlen ersetzt? Leider haben diese Modelle auch erhebliche Nachteile. Da das Windrad nicht von Windströmungen geführt wird und immer in einem schmalen Bereich von Energieerfassungsbereichen arbeitet, wird die Leistung des Generators logischerweise reduziert. Um eine ausreichende Leistung vertikaler Windmühlen aufrechtzuerh alten, ist daher deren flächendeckender Masseneinsatz erforderlich, was nicht immer möglich ist.

Designs basierend auf dem Darrieus-Rotor

Windenergieanlagen mit vertikalem Laufrad basieren auf dem Savonius- oder Darrieus-Rotordesign. Aber auch diese Gruppe hat ihre eigenen Variationen und modernen Modifikationen. Die vielversprechendste Neuentwicklung ist die 2001 entwickelte Gorlov-Helikoidturbine. Sie ist eine Art Fortsetzung des Darrieus-Rotorkonzepts, jedoch in optimierter Form. Spiralförmige vertikale Schaufeln ermöglichen die Erzeugung von Energie aus Wasser- und Luftströmen mit minimaler Aktivität. Heute diese Generatorenwerden sowohl in spezialisierten Windparks als auch als Teil von Wasserkraftwerken eingesetzt.

Windgeneratoren mit Flussverstärker

In gewisser Weise auch eine Fortsetzung des klassischen Designs von Windmühlen, aber angepasst an die aktuellen Hightech-Betriebsbedingungen. Modifikationen mit Strömungsverstärkern zeichnen sich durch das Vorhandensein einer oder mehrerer Rinnen aus, die Luftströme konzentrieren sollen. Aerodynamische kegelförmige Elemente in Form eben dieser Rinnen sammeln Strömungen großflächig, richten sie auf einen Richtungspunkt aus und erhöhen dadurch die Geschwindigkeit des Schaufelsystems. Die Schwierigkeit bei der Verwendung von Windkraftanlagen mit Flussverstärkern besteht darin, dass sie die Verwendung einer zusätzlichen Elementargruppe erfordern. Zudem ist eine signifikante Produktivitätssteigerung bei solchen Anlagen nur durch den Anschluss von Hilfsenergiequellen zu erreichen, was wirtschaftlich nicht immer gerechtfertigt ist.

Gearless Windturbinen

Ganz im Sinne der Strukturoptimierung ist auch eine Variante einer Windkraftanlage ohne Getriebe aufgetaucht. Stattdessen wird ein ringförmiger Kanal verwendet, der mit einem inneren Metallstab versehen ist. Dieser Ring wird um den Rotorrand installiert. Hier befindet sich auch eine Magnetgruppe, die mit einem Metallstab zusammenwirkt und so zur Stromerzeugung beiträgt. Die Leistung von Windkraftanlagen ohne Getriebe mit einem Rotordurchmesser von etwa 200 cm kann 1500 kWh erreichenIm Jahr. Der Hauptvorteil dieser Konstruktion ist die Reduzierung von Energieverlusten, die natürlich beim Betrieb von mit Getrieben versehenen Generatoren auftreten. Diesen Vorteil müssen Sie aber mit Geschwindigkeitsbegrenzungen bezahlen. Damit das Gerät in einen optimalen Arbeitsablauf eintritt, ist eine Strömungsgeschwindigkeit von mindestens 2 m/s erforderlich.

Merkmale industrieller Windkraftanlagen

Industrielle Windmühlen haben zwei grundlegende Unterschiede - große Größe und hohe Ausgangsleistung. Aus diesen Merkmalen ergeben sich sowohl Vor- als auch Nachteile von Stationen dieses Typs. Was die Struktur betrifft, genügt es zu sagen, dass die Höhe moderner industrieller Windmühlen 150-200 m erreichen kann und die Flügelspannweite mehr als 100 m betragen kann. Hohe Leistung erfordert auch die Komplexität der funktionalen Infrastruktur. Zur Steuerung des Prozesses der Energieumwandlung werden daher Windgeneratorregler eingesetzt, die dafür sorgen, dass der aktuelle Ladezustand des Batteriepacks berücksichtigt wird. Darüber hinaus umfasst die elektrische Füllung solcher Installationen Wechselrichter und Kurzschlussschutzsysteme.

Eigenschaften von Haush alts-Windkraftanlagen

Die einfachsten Windmühlen können nicht nur zu Hause verwendet, sondern auch von Hand zusammengebaut werden. In der Regel handelt es sich um kleine Anlagen mit einer Höhe von nicht mehr als 10 m, die mit einer Leistung von 0,5 bis 5 kW betrieben werden können. Als passive Energiequelle für Haush altsgeräteoder einzelne Gruppen von Elektrogeräten, diese Option rechtfertigt sich. Kompakte Windkraftanlagen werden jedoch heute in großer Zahl von großen Unternehmen zur Stromversorgung von Produktionsanlagen eingesetzt. Auf der Basis von Mini-Windmühlenparks entstehen ausreichend produktive und zuverlässige Systeme, die mit leistungsstarken Einzelgeneratoren konkurrieren können.

Merkmale von Offshore-Windenergieanlagen

Die Popularität dieser Art von Windmühlen ist auf mehrere Vorteile gegenüber Stationen an Land zurückzuführen. Dabei geht es vor allem um stabilere Arbeitsbedingungen, da die Windströmungen von der Küste weg nicht behindert werden. Gleichzeitig werden die Strukturen von Offshore-Windkraftanlagen in zwei Gruppen unterteilt - tragend und schwimmend. Die ersten werden im flachen Wasser mit einer klassischen Stütze im Boden unter Wasser installiert. Schwimmende Stationen haben jeweils eine eigene schwimmende Plattform mit Befestigung durch Anker und andere marine Vorrichtungen.

Kombination von Windturbinenstrukturen mit Gebäuderahmen

Es gibt auch eine vielversprechende Gruppe von Windmühlen, die buchstäblich in die Hüllen von Hochhäusern integriert sind. Diese Lösung hat zwei Vorteile - günstige Bedingungen für den "Empfang" von Strömen und eine Verringerung des Stromlieferungswegs, da die letzte Versorgungsquelle normalerweise die Verbraucher im Gebäude sind. Aktuell wird die Einbindung von Windkraftanlagen dieser Art immer häufiger mit durchgeführtspezielle aerodynamische Zylinder, die auf den Dächern von Wolkenkratzern montiert sind. Es wird auch das Konzept der Mini-Propeller entwickelt, die in jedem Teil einer großen Baustelle platziert werden können. Die Geräte werden buchstäblich in die Wände integriert, danach werden sie an das allgemeine Stromnetz angeschlossen und geben eine kleine, aber stabile Energiemenge ab.

Schlussfolgerung

In den letzten Jahren hat das Interesse an Windkraftanlagen in Russland stark zugenommen. Große Stationen mit einer Leistung von bis zu 30-50 MW werden periodisch in verschiedenen Regionen in Betrieb genommen. Für unser Land sind Windmühlen besonders nützlich, weil sie es uns ermöglichen, abgelegene Regionen mit Energie zu versorgen, in denen es derzeit keine Möglichkeit gibt, andere Energieversorgungsmittel zu organisieren. Auch das Segment der kleinen Windkraftanlagen entwickelt sich aktiv weiter. In Russland sind einzelne Stromsysteme mit einer Leistung von 1-5 kW sehr beliebt geworden. Gleichzeitig weigern sich die Entwickler nicht, die Funktionsprinzipien von Windmühlen mit Verbrennungsmotoren zu kombinieren. Erfolge in dieser Richtung zeigen insbesondere Winddieselkonzepte. Wie viel Windenergie in Russland in den kommenden Jahrzehnten nachgefragt werden wird, ist noch schwer zu sagen, da die Positionen traditioneller Energiequellen nach wie vor stark sind. Aber die Trends beim Übergang zu alternativen Energien auf der ganzen Welt werden die russische Industrie wahrscheinlich dazu anspornen, solche Bereiche aktiv zu erkunden.