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 Arten von VAWTs erhältlich: die Darrieus-Windturbine und die Savonius-Windturbine.
Eine häufig im privaten Bereich eingesetzte Windkraftanlagenart ist die Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) . Sie verfügt über zwei oder drei Rotorblätter und eine vertikal rotierende Rotorwelle. Bei einer VAWT befindet sich der Generator am unteren Ende des Turms, und die Rotorblätter umschließen die Welle.
Diese Turbinen werden häufig auf Mittelstreifen von Autobahnen installiert . Die vorbeifahrenden Fahrzeuge versetzen die gebogenen Rotorblätter in Rotation und erzeugen so Strom. Die Turbine nutzt unterschiedliche Windgeschwindigkeiten je nach Bedarf auf unterschiedliche Weise.
1. Darrieus-Windkraftanlage (Lift-Typ)
Diese Windkraftanlage verdankt ihren Namen Georges Darrieus , ihrem Erfinder. Darrieus-Windkraftanlagen besitzen lange, gebogene Rotorblätter, die oben und unten mit der Rotorwelle verbunden sind . Auch als „Eierquirl“ bekannt, ist diese Turbine an beiden Enden 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 besitzt eine geschlossene Windaufnahmefläche, und die Rotorblätter sind aufgrund ihrer spiralförmigen Anordnung um die vertikale Welle gewickelt . Savonius-Turbinen nutzen primär den Strömungswiderstand zur Motoranregung.
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 Windkraftanlagen verfügen über speziell geformte Flügel , die den Luftwiderstand verringern. Sobald die Rotation beginnt, erhöht sich die Drehzahl der Turbine, um die Windgeschwindigkeit zu übertreffen und so eine bessere Leistung zu erzielen.
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 das 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 von Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWT) können Wind aus jeder Richtung aufnehmen . Daher können diese Turbinen auch bei instabilen Wetterbedingungen wie böigen und turbulenten Winden Strom erzeugen. Darüber hinaus eignen sie sich ideal für Küsten- und Gebirgsregionen.
2. Engere Abstände
Die Turbinen sind quer zur Windrichtung im Abstand von fünf Durchmessern und in Richtung des Windes im Abstand von etwa zehn Durchmessern angeordnet. Diese Anordnung trägt dazu bei, Störungen des Luftstroms zu vermeiden. Zudem verringert sie die Wahrscheinlichkeit einer gegenseitigen Windgeschwindigkeitsreduzierung durch die Turbinen. Dank des geringeren Abstands erzeugen Vertikalachsen-Windkraftanlagen effektiv mehr Energie pro Quadratmeter Fläche.
Laut einer Studie der Doktorandin im Fach Maschinenbau an der Stanford University, Anna Craig, aus dem Jahr 2017 kann eine Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT) im Vergleich zu einer Gruppe von horizontalachsigen Windkraftanlagen (mit großem Abstand) zehnmal mehr Strom pro Flächeneinheit erzeugen .
3. Niedrigere Startwindgeschwindigkeit
Vertikalachsenturbinen erreichen eine Anlaufwindgeschwindigkeit von 2 bis 3 m/s, wodurch sie auch bei schwachem Wind Strom erzeugen können. Obwohl die Gesamtleistung bei niedrigen Windgeschwindigkeiten geringer ist, sind diese Turbinen im Gegensatz zu anderen Turbinen auch bei schwachem Wind nicht nutzlos.
4. Geringere Umweltbelastung
Vertikalachsen-Windkraftanlagen sind kleiner als herkömmliche Windkraftanlagen . Da sie um die Welle herum gebaut sind, werfen die Rotorblätter keine Schlagschatten. Vögel können die Blätter zudem leichter erkennen, was die Gefahr von Verletzungen verringert . Darüber hinaus arbeiten Vertikalachsen-Windkraftanlagen am leisesten und verursachen daher keine Lärmbelästigung.
5. Einfach zu installieren und zu warten
Dank ihrer geringen Größe sind diese Turbinen leicht zu transportieren, zu installieren und zu warten . Ein einzelner großer Lkw kann eine komplette Turbine problemlos in einem Durchgang transportieren. Für Reparaturen oder Wartungsarbeiten sind keine extremen Höhen erforderlich. Daher ist die Wartung von Vertikalachsenturbinen unkompliziert.
6. Weniger Einschränkungen bei der Installation
Aufgrund ihrer geringen Größe sind Vertikalachsen-Windkraftanlagen im Vergleich zu anderen Turbinentypen leichter zu genehmigen . Die Vorschriften zur maximalen Bauhöhe variieren je nach Region. Da Vertikalachsen-Windkraftanlagen nicht sehr hoch sind, ist ihr Bau in den meisten Bundesländern zulässig.
7. Ästhetische Attraktivität
Vertikale Windkraftanlagen zeichnen sich durch moderne geometrische Designs aus, die ihnen eine bessere Leistung und ein ansprechendes Aussehen verleihen. Ihr Erscheinungsbild fügt sich harmonisch in die umliegende Infrastruktur wie Schul- und Hochschulgelände, Parks und andere Gebäude ein.
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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 werden nicht alle Rotorblätter gleichzeitig vom Wind getroffen . Die dem Wind zugewandten Blätter drehen sich, während die anderen ihnen folgen, was zu einer geringeren Rotationseffizienz führt. Darüber hinaus erfahren Savonius-Windkraftanlagen aufgrund ihrer großen Blattflächen einen höheren Luftwiderstand.
2. Zugang zu niedrigeren Windgeschwindigkeiten
Vertikalachsenwindkraftanlagen (VAWTs) werden am Boden installiert und können daher die höheren Windgeschwindigkeiten in großen Höhen nicht nutzen . Dies beschränkt den Betrieb der Turbinen auf niedrigere Windgeschwindigkeiten.
3. Schneller Verschleiß der Komponenten
Da vertikale Windkraftanlagen in besiedelten Gebieten ebenerdig installiert werden, sind sie vermehrt Problemen wie Vibrationen und Turbulenzen ausgesetzt . Die Rotorblätter müssen höheren Kräften standhalten, und auch die Lager zwischen Mast und Rotor sind einem höheren Druck ausgesetzt. Dies kann mitunter zu Rissen oder Verformungen der Rotorblätter führen.
4. Geringere Gesamteffizienz
Vertikalachsen-Windkraftanlagen weisen aufgrund ihrer Konstruktions- und Betriebseigenschaften einen geringeren Wirkungsgrad auf als Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT).
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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