Die Entwicklung erneuerbarer Energiequellen ist entscheidend im Kampf gegen die globale Erwärmung und für den Erhalt der natürlichen Ressourcen unseres Planeten. Wind- und Solarenergienutzungstechnologien sind auf dem Vormarsch. Dies führt zu einer steigenden Nachfrage nach vertikalachsigen Windkraftanlagen. Erfahren Sie mehr über sie.
Arten von Windturbinen mit vertikaler Achse
Auf dem Markt sind zwei VAWT-Typen erhältlich: Darrieus-Windturbine und die Savonius-Windturbine.
Ein Windradtyp, der vor allem für Wohnzwecke genutzt wird, ist eine Windkraftanlage mit vertikaler AchseEr verfügt über zwei oder drei Rotorblätter und eine vertikal bewegliche Rotorwelle. Bei einem VAWT befindet sich der Generator unten, und die Rotorblätter sind um die Welle des Turms herum angeordnet.
Diese Turbinen sind oft an Autobahnleitplanken installiert und die fahrenden Fahrzeuge versetzen die gebogenen Rotorblätter der Turbine in Drehung und erzeugen so Strom. Die Turbine nutzt unterschiedliche Windgeschwindigkeiten je nach Bedarf auf unterschiedliche Weise.
1. Darrieus-Windkraftanlage (Lift-Typ)
Diese Windkraftanlage erhielt ihren Namen von Georges Darrieus, der Erfinder. Darrieus Windturbinen haben lange und gebogene Blätter, die mit der Ober- und Unterseite der Rotorwelle verbunden sind. Diese Turbine, auch unter dem Namen „Schneebesen“ bekannt, ist an jedem Ende mit der Rotorwelle verbunden.
Darrieus-Turbinen drehen sich durch den Auftrieb, den die aerodynamische Kraft erzeugt. Durch den Windstrom entsteht an der Vorderseite der Turbine ein Sog, der die Rotorblätter in die entgegengesetzte Richtung rotieren lässt.
2. Savonius Windkraftanlage (Drag-Typ)
Diese Turbine hat eine feste, windaufnehmende Oberfläche und die Rotorblätter sind aufgrund ihrer spiralförmigen Anordnung um die vertikale Welle gewickelt. Savonius-Turbinen sind in erster Linie auf den Strömungswiderstandsprozess angewiesen, um die Motoren zu aktivieren.
Dies ist notwendig, da die dynamische Windkraft die Rotoren aktiv dreht. Gleichzeitig wirkt auf der Rückseite der Rotorblätter ein aerodynamischer Widerstand. Dadurch drehen sich diese Turbinen proportional zur Windgeschwindigkeit.
Beide Windturbinen haben spezifische Flügelformen Dadurch wird der Luftwiderstand verringert. Sobald die Umdrehung beginnt, erhöht sich auch die Drehzahl der Turbine, sodass sie die Windgeschwindigkeit übersteigt und so eine bessere Leistung erzielt.
Funktionsprinzip einer Windturbine mit vertikaler Achse
Werfen wir einen Blick auf die Komponenten von Windturbinen mit vertikaler Achse.
- Getriebe – Es erhöht die Drehzahl einer langsam laufenden Welle, um diese mit einer schnell laufenden Welle zu verbinden, die wiederum mit dem Generator verbunden ist.
- Stromerzeuger – Im Windrad wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.
- Akku – Es speichert die vom Generator erzeugte Stromleistung.
- LDR-Schaltung – Es dient zum Ein- und Ausschalten des Lichts im System. Es besteht aus einem lichtabhängigen Widerstand (LDR), einer Batterie, einer LED, einem Transistor und einem Widerstand.
Lesen Sie mehr über die Grundprinzip der Windenergieumwandlung.
Zusammen Arbeiten
Eine VAWT ist mit einem Getriebe verbunden, das Zahnräder enthält, und dieses Getriebe ist direkt mit der Welle des elektrischen Generators verbunden. Der Wind versetzt die Turbine in Bewegung und erzeugt mechanische Energie.
Das Getriebe verstärkt die Drehzahl der Turbine und überträgt diese als mechanische Energie an den Generator. Der Generator nutzt die gewonnene Energie und wandelt sie in elektrische Energie um, die in den Batterien gespeichert wird. Die gespeicherte Energie wird über ein automatisiertes Beleuchtungssystem genutzt.
Funktionsweise der Schaltung
Der Emitter des Transistors ist mit Masse verbunden, der Kollektor mit dem Minuspol der LED. Die Anschlüsse des Widerstands sind direkt mit der Spannungsquelle verbunden, der LDR mit dem Minuspol. Sobald der LDR-Schaltkreis direkt mit der Batterie verbunden ist, kann er Licht wahrnehmen. Anschließend schaltet sich die LED automatisch ein, sobald die Lichtintensität (Sonnenlicht) abnimmt.
Anwendungen für Windturbinen mit vertikaler Achse
Nachfolgend finden Sie eine Liste idealer Einsatzmöglichkeiten für verschiedene Typen von Windturbinen mit vertikaler Achse.
- Bei kleinen Windprojekten und weniger umfangreichen Windkraftanlagen
- Im Bau oder Einsatz in Wohngebäuden.
- In Gebieten mit instabilen Wetter- oder Windverhältnissen zur Stromerzeugung.
Vorteile einer Windturbine mit vertikaler Achse
Die Vorteile einer Windturbine mit vertikaler Achse sind folgende:
1. Omnidirektionaler Rotor
Die Rotorblätter in VAWT sind in der Lage Wind aus jeder Richtung. Daher können diese Turbinen auch bei instabilen Wetterbedingungen wie böigem und turbulentem Wind Strom erzeugen. Darüber hinaus eignen sie sich auch ideal für Küsten- und Bergregionen.
2. Engere Abstände
Jede Turbine ist quer zum Wind im Abstand von fünf Durchmessern und nach unten im Abstand von etwa zehn Durchmessern aufgestellt. Dieses Abstandsmuster trägt dazu bei, Störungen des Luftstroms zu vermeiden. Es verringert auch die Wahrscheinlichkeit einer Verringerung der Windgeschwindigkeit durch gegenseitige Aneinanderreihung von Turbinen. Bei geringerem Abstand sind vertikalachsige Windturbinen effektiv mehr Energie pro Quadratmeter Land gewinnen.
Gemäß einer 2017-Forschung von Anna Craig, Doktorandin im Bereich Maschinenbau an der Stanford University, VAWT kann 10-mal mehr Strom pro Flächeneinheit erzeugen als eine Gruppe von Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (weit auseinander).
3. Niedrigere Startwindgeschwindigkeit
Turbinen mit vertikaler Achse Die Startwindgeschwindigkeit beträgt 2 bis 3 m/s. Dadurch können sie auch bei schwachem Wind Strom erzeugen. Obwohl die Gesamtleistung bei geringer Windgeschwindigkeit geringer ist, sind diese Turbinen im Gegensatz zu ihren Gegenstücken bei schwächeren Windverhältnissen nicht nutzlos.
4. Geringere Umweltbelastung
Vertikalachsen-Windturbinen sind kleiner als herkömmliche Turbinen. Da die Rotorblätter um die Welle herum gebaut sind, werfen sie keinen Schlagschatten. Vögel können die Rotorblätter auch gut sehen, was verringert das Risiko von OpfernDarüber hinaus arbeiten VAWT mit dem geringsten Geräuschpegel und verursachen daher keine Lärmbelästigung.
5. Einfach zu installieren und zu warten
Aufgrund ihrer geringen Größe sind diese Turbinen einfach zu transportieren, zu installieren und zu wartenEin einziger großer LKW kann problemlos eine komplette Turbine auf einmal transportieren. Für die Reparatur ist kein Klettern in extremen Höhen nötig. Daher ist die Wartung von Turbinen mit vertikaler Achse einfach.
6. Weniger Einschränkungen bei der Installation
Aufgrund ihrer Größe sind die Typen der vertikalen Windturbinen im Vergleich zu anderen Turbinen problemlos zulässig. In verschiedenen Regionen gelten unterschiedliche Regeln und Vorschriften für die maximale Bauhöhe. Da vertikale Turbinen nicht sehr hoch sind, ist ihr Bau in den meisten Staaten genehmigt.
7. Ästhetische Attraktivität
Vertikale Windturbinen verfügen über moderne geometrische Designs, die ihnen eine bessere Leistung und Ästhetik verleihen. Ihre Aussehen geht gut mit benachbarter Infrastruktur wie Schul-/Universitätsgeländen, Parks und anderen Gebäuden.
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Nachteile einer Windturbine mit vertikaler Achse
Obwohl vertikale Windkraftanlagen vielerorts Vorteile bieten, gibt es auch Nachteile, die ihre Leistung beeinträchtigen. Wir finden es heraus.
1. Geringere Rotationseffizienz
Aufgrund ihrer Rotorkonstruktion nicht alle Rotorblätter gleichzeitig vom Wind erfasst werden. Die dem Wind zugewandten Rotorblätter drehen sich, während die anderen ihnen einfach folgen, was zu einer geringeren Rotationseffizienz führt. Darüber hinaus erfahren Savonius-Windturbinen aufgrund ihrer breiten Rotorblattoberflächen einen höheren Luftwiderstand.
2. Zugang zu niedrigeren Windgeschwindigkeiten
VAWTs werden auf Bodenniveau installiert, daher kann höhere Windgeschwindigkeiten in großen Höhen nicht ausnutzenDadurch ist der Betrieb der Turbinen auf niedrigere Windgeschwindigkeiten beschränkt.
3. Schneller Verschleiß der Komponenten
Da vertikale Windkraftanlagen in besiedelten Gebieten auf Bodenniveau installiert werden, sind sie stärker Probleme wie Vibrationen und TurbulenzenDie Rotorblätter müssen größeren Kräften standhalten, auch die Lager zwischen Mast und Rotor sind höherem Druck ausgesetzt. Dies kann zu Rissen oder Verbiegungen in den Rotorblättern führen.
4. Geringere Gesamteffizienz
Windturbinen mit vertikaler Achse haben geringere Effizienz im Vergleich zu Windturbinen mit horizontaler Achse (HAWT) aufgrund ihrer Konstruktion und Betriebseigenschaften.
5. Manueller Startmechanismus
Darrieus-Windturbinen verfügen über einen manuellen Startmechanismus, da ihre Flügelkonstruktion nicht genügend Drehmoment für die Autorotation erzeugt. Sie starten nicht automatisch wie Savonius- und Horizontalturbinen.
Die beiden Typen von vertikalen Windkraftanlagen sind eine nachhaltige und einfache Lösung zur Stromerzeugung auf Straßen und Autobahnen. Ihre Konstruktion und ihr Aufbau sprechen jedoch sowohl für als auch gegen sie. Dennoch sind sie immer noch die bessere Option gegenüber Lösungen auf Basis fossiler Brennstoffe.
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