Wie nutzt man es?

Windkraftanlagen, ähnlich wie Propellerblätter bei einem Flugzeuge, drehen sich in den bewegten Luftmassen und treiben einen elektrischen Generator an, der elektrischen Strom liefert. Einfach gesagt, eine Windkraftanlage ist das Gegenteil von einem Ventilator. Anstelle des Stromverbrauchs zum Windproduzieren wie beim Ventilator verwendet eine Windkraftanlage den Wind zum Stromerzeugen. Der Wind dreht die Rotorblätter, die durch eine Welle mit einem Generator verbunden sind und erzeugt Strom.

Moderne Windkraftanlagen werden in zwei Gruppen eingeteilt: Windmotor mit waagerechter Achse wie bei den traditionellen Bauernwindmühlen, die zur Gewinnung von Wasser eingesetzt werden, und Windmotor mit senkrechter Achse ähnlich wie bei einem Hubschrauber Darrieus- Model nach dem Namen des französischen Erfinders. Die meisten modernen Windkraftanlagen sind mit horizontaler Achse.

Horizontal-Achse

Die Windanlage mit Horizontal-Achse hat die Hauptrotorwelle und den elektrischen Generator an der Spitze eines Turms, und muss in den Wind hingerichtet werden. Kleinere Anlagen werden durch eine einfache Windfahne gerichtet, während größere Anlagen in der Regel mit einem Windsensor ausgestattet sind, der mit einem Servomotor gekoppelt ist. Die meisten haben ein Getriebe, das die langsame Rotation der Rotorblätter in eine schnellere beschleunigt, das sich besser zum Antrieb eines Generators eignet. Da ein Turm Turbulenzen hinter sich erzeugt, wird die Turbine in der Regel vor dem Turm angebracht. Turbinenschaufeln sind steif gebaut, um die Blätter gegen starken Wind zu schützen, der die Blätter an den Turm drücken kann. Darüber hinaus werden die Schaufeln mit einem beträchtlichen Abstand vom dem Turm angebracht und manchmal leicht gekippt.

Leeläufer wurden trotz des Turbulenzproblems gebaut, weil sie keinen zusätzlichen Mechanismus brauchen, um sie dem Wind anzupassen, und weil sich die Schaufeln bei starkem Wind verbiegen können, was zur Reduzierung ihrer Hubfläche somit ihrem Windwiderstand führt. Da Turbulenz zu Schwingungsbrüchen führt, und Zuverlässigkeit ist so wichtig, daher die meisten HAWTs Luvläufer sind.

HAWT Untertypen

Doesburger Windmühle, Ede, die Niederlande

Es gibt einige Typen von HAWT:

Windmühlen im 12.Jahrhundert

Die Bauten mit Achsdruckentlastung, normalerweise mit mindestens vier Schaufeln und hölzernen Fensterläden oder Segeln aus Stoff, wurden in Europa entwickelt. Diese Windmühlen wurden in den Wind entweder manuell hingerichtet oder über einen Schwanz-Fan und wurden in der Regel verwendet, um Korn zu mahlen. In den Niederlanden wurden sie auch benutzt, um Wasser in tief liegenden Flächen zu pumpen und zur Einsetzung als Werkzeug, um Überflutungsgebiete trocken zu halten.

Windmühlen im 19. Jahrhundert

Die Eklipse-Windmühlenfabrik wurde um 1866 in Beloit, Wisconsin errichtet. Bald wurden Gebäudemühlen für landwirtschaftliche Zwecke zum Wasserpumpen und zum Füllen vom Tank der Eisenbahn verwendet. Andere Unternehmen wie Star, Dempster und Aeromotor kamen ebenfalls auf den Markt. Hunderttausende dieser Mühlen wurden vor der Elektrifizierung ländlicher Gebiete hergestellt und eine kleine Zahl wurde weiterhin produziert. Sie hatten in der Regel mehrere Schaufeln, relativ hohe Geschwindigkeit (unten definiert) für damalige Verhältnisse und einen guten Anlaufmoment. Einige hatten kleine Gleichstrom-Generatoren, die zum Speichern vom Strom verwendet wurden, um ein paar Lichter zu versorgen, oder um einen Funkempfänger bedienen zu können. Die US-amerikanische Elektrifizierung in ländlichen Gebieten verband in den 50er Jahren viele Farmen durch die zentrale Stromversorgung und ersetzte damit einzelne Windmühlen als primäre Quelle der Energie auf dem Land. Die anderen Länder wie Südafrika und Australien haben auch die Eklipse-Windmühlen produziert (wo das US-amerikanische Model im Jahr 1876 übernommen wurde). Sie sind immer noch an Orten eingesetzt, wo es zu teuer ist, sie an den kommerziellen Strom anzuschließen.

Wasserpumpen durch ländliche Windmühle in Deutschland.

In Schiedam, in den Niederlanden, wurde eine Windmühle im traditionellen Stil (die Noletmolen) im Jahr 2005 gebaut, um Elektroenergie zu erzeugen. Die 42,5 m (139ft) hohe Mühle ist eine der höchsten Turmmühlen in der Welt.

Moderne Windturbine

Turbinen, die in Windparks für kommerzielle Stromerzeugung eingesetzt werden, haben in der Regel drei Rotoren und werden in den Wind durch computergesteuerte Motoren hingerichtet. Dieser Typ wird von dänischen und anderen Herstellern produziert. Ihre Geschwindigkeit kann bis zu sechsfach höher als die Windgeschwindigkeit beschleunigt werden. Die Turbinen sind hoch effizient und haben niedrige Welligkeit des Drehmoments, die zur hohen Zuverlässigkeit beiträgt. Die Rotoren haben eine typische hellblaue Farbe, abgestimmt auf die Wolken, und sind zwischen 20 und 40 Meter (65 – 130 ft) lang. Die Stahlrohrtürme haben eine Höhe von etwa 60 bis 90 Meter (200 bis 300 ft). Die Schaufeln drehen sich 10 bis 22 mal in der Minute. Das Getriebe dient häufig dazu, die Geschwindigkeit des Generators hochzuschalten. Es gibt auch Modelle, die direkten Antrieb eines ringförmigen Generators verwenden. Einige Modelle arbeiten mit konstanter Geschwindigkeit, obwohl mehr Energie durch drehzahlvariable Turbinen erzeugt werden kann, die einen Festkörper-Stromrichter nutzen, und hervorragend zur Netzregulierung geeignet sind. Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten wird die Anlage abgeschaltet, um Schäden durch mechanische Überlastungen zu vermeiden.

HAWT Vorteile

• Die Blätter befinden sich seitlich des Schwerpunkts der Turbine und tragen somit zur Stabilität bei.

• Die fernbedienbare Veränderung des Anstellwinkels ermöglicht mehr Überwachung, so dass die Turbine die maximale Menge an Windenergie je nach Tages- und Jahreszeiten einsammelt.

• Möglichkeit die Rotorblätter anzustellen, um das Schadensrisiko von vornherein zu minimieren.

• Ein hoher Turm ermöglicht Nutzung des stärkeren Winds an Standorten mit Windscherung. An manchen solchen Standorten kann die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunehmen, und zwar alle 10 m um 20 %, was wiederum um 34 % Energieernte erhöht.

HAWT Nachteile

• Beim Betrieb der WKAs treten Probleme in der Nähe vom Boden auf Grund der turbulenten Winde auf.

• Es ist schwer, die hohen Türme und bis zu 90 Meter langen Turbinenschaufeln auf dem Meer und auf dem Lande zu transportieren. Der Transport kann 20 % der Anschaffungskosten ausmachen.

• Hohe WKAs mit Horizontalachse sind schwer zu installieren, da sehr hohe und kostspielige Krane und besondere Fähigkeiten der Fachleute zum Einsatz kommen müssen.

• Luftfahrtbehörde (FAA) äußerte sich besorgt über die hohe Auswirkung der WKAs auf Radare der Luftwaffenstützpunkte.

• Die Windturbinen präsentieren ein physikalisches Hindernis, das die Funktionalität eines Systems modifizieren oder reduzieren kann.

• Die Turbulenzen verursachen die Erschöpfung und den Ausfall in Windrichtung

Vertikal-Achse

Bei den Windkraftanlagen mit Vertikal-Achse (oder VAWTs) ist die Hauptrotorwelle vertikal angebracht. Wesentlicher Vorteil dieser Baukonstruktion ist, dass die Turbine für ihre Arbeit auf den Wind nicht hingerichtet werden muss. Dies ist ein Vorteil an Standorten, wo die Windrichtung sehr variabel ist. VAWTs können bei den Winden aus unterschiedlichen Richtungen arbeiten.

Bei vertikaler Achse können der Generator und das Getriebe in Bodennähe ganz ohne Turm installiert werden. Es erleichtert Wartungsarbeiten durchzuführen. Nachteile sind, dass einige Ausführungen ein pulsierendes Drehmoment erzeugen. Der Luftwiderstand entsteht, wenn sich der Rotor in den Wind dreht.

Es ist sehr aufwendig, Turbinen mit vertikaler Achse an Türme zu montieren, das heißt, sie sind oft näher zur Basis installiert, wo sie angebracht werden als wie z.B. zum Boden oder auf der Dachspitze eines Gebäudes. Die Windgeschwindigkeit ist meist langsamer in einer geringeren Höhenlage, daher ist weniger Windenergie für eine bestimmte Turbinengröße vorhanden. Durch den Luftstrom in der Nähe vom Boden und andere Objekte werden turbulente Strömungen ausgelöst, die Probleme wie Vibration einschließlich Lärm und Lagerverschleiß mit sich bringen können, zusätzliche Wartungen erfordern oder zur Verkürzung der Lebensdauer führen können. Wenn eine Turbine auf einem Dach montiert ist, wird der Wind in der Regel entlang dem Dach des Gebäudes geführt. Das verdoppelt die Windgeschwindigkeit oft an der Turbine. Wenn die Höhe der am Dach installierten Turbinenanlage etwa 50% der Gebäudehöhe beträgt, dann ist der optimale Zustand für maximale Windenergie und minimale Windturbulenzen erreicht.

Vorteile der Windturbine mit Vertikal-Achse (VAWT)

• Wartungsarbeiten können mit weniger Aufwand durchgeführt werden, wenn sich die beweglichen Teile in der Nähe von der Erdoberfläche befinden.

• Wenn die Rotorblätter senkrecht stehen, wird ein Giergerät nicht benötigt, was Kosten spart.

• VAWTs haben einen höheren Nickwinkel der Tragfläche, wodurch Aerodynamik erhöht wird, wobei der Widerstand bei niedrigem und hohem Druck nachlässt.

• Ausführungen der VAWTs, die mit geraden Schaufeln von einem quadratischen oder rechteckigen Querschnitt ausgestattet sind, haben eine größere überstrichene Fläche für einen vorgegebenen Durchmesser als bei HAWTs.

• Tafelberge, Bergspitzen, Bergrücken und Pässe haben oft heftige Winde in der Nähe vom Boden, weil der Wind nach oben gedrückt wird oder in eine Bahn geleitet wird, die in der Nähe der VAWT direkt über der Erdoberfläche verläuft.

• Geringe Bauhöhen sind die einzige Möglichkeit an Standorten, wo die zu hohen Bauwerke per Gesetz nicht zulässig sind.

• Es wird kein hoher Turm benötigt, was viel erschwinglicher und auch sicherer bei starkem Wind ist.

• Niedrigere Schnelllaufzahl verringert die Wahrscheinlichkeit der Zerstörung durch den starken Wind.

• Bei vertikal stehender Rotationsachse muss der Rotor der Windrichtung nicht nachgeführt werden, ideal unter turbulenten Windbedingungen.

• Sie können möglicherweise in größeren Größen als HAWTs ausgeführt werden, z.B. durch Hunderte von Metern im Durchmesser von schwimmenden WEA, können den Bedarf nach teuren und größeren Flächen abdecken.

• Es kann eine Höhenbegrenzung darauf geben, wie groß eine vertikale Windkraftanlage gebaut werden kann und wie viel überstrichene Fläche sie haben kann. Dies kann jedoch durch die Verbindung einer Mehrzahl von Anlagen zusammen in einem Dreieckmuster mit Verankerung auf der Spitze des Bauwerkes überwunden werden, was die Notwendigkeit für eine solche starke vertikale Hilfsstütze reduziert und dadurch wird die Verlängerung der Turbinenschaufeln ermöglicht.

Nachteile der Windturbine mit Vertikal-Achse (VAWT)

• Die meisten VAWTs haben nur 50% der Effizienz der HAWTs, zum großen Teil wegen dem zusätzlichen Widerstand, der durch die Schaufelrotation in dem Wind verursacht ist. Dies kann mit Hilfe von Baukonstruktionen zum Einfangen von mehr Strömungen, um den Wind in den Rotor zu befördern (z.B. „Statoren“ an früheren Windstar Turbinen) oder durch Vortex-Effekt der geraden eng zu einander gesetzten Schaufeln von VAWTs (z. B. Patent # 6784566) gelöst werden.

• Für die Installation wird ein relativ flaches Grundstück gebraucht und einige Standorte könnten für sie zu steil sein im Vergleich zu den HAWTs, die immer noch auf dieser Fläche aufgebaut werden können.

• Die meisten VAWTs haben einen niedrigen Anlaufmoment und benötigen Energie um sich beginnen zu drehen.

• A VAWT that uses guy wires to hold it in place puts stress on the bottom bearing as all the weight of the rotor is on the bearing. Guy wires attached to the top bearing increase downward thrust in wind gusts. Solving this problem requires a superstructure to hold a top bearing in place to eliminate the downward thrusts of gust events in guy wired models

• Dadurch, dass die Bauteile auf dem Boden tief angeordnet sind, heißt es auch, dass sie das Gewicht des Bauwerkes tragen. Deshalb ist das Auswechseln von bestimmten Teilen an der Windturbine sehr schwierig, ohne das Bauwerk auseinander zu nehmen, wenn es nicht vorher bereits in richtiger Art und Weise vorgesehen ist.