Eine Turbine ist eine Maschine, die die kinetische Energie einer rotierenden Flüssigkeit über ein Rotorsystem in Nutzarbeit oder Energie umwandelt. Mechanische Getriebe oder elektromagnetische Induktion ermöglichen die Stromerzeugung. Es gibt verschiedene Turbinentypen, die gängigsten sind jedoch horizontale und vertikale Windturbinen. In diesem Artikel erfahren Sie alles über horizontale Windturbinen, ihre Funktionen und die verschiedenen Typen.
Was ist eine Windturbine mit horizontaler Achse?
Die heute am weitesten verbreitete Windkraftanlage ist die Horizontalachsen-Windkraftanlage (HAWT). HAWTs besitzen einen Rotor mit aerodynamischen Rotorblättern (Tragflächenprofilen), der entweder in den Wind oder vom Wind abgewandt ausgerichtet sein kann. Höhenwindkraftanlagen haben typischerweise zwei oder drei Rotorblätter, die sich sehr schnell drehen. Konisch geformte Rotorblätter bei windabgewandten Rotoren ermöglichen die automatische Ausrichtung in den Wind, während windaufgewandte Rotoren eine Gier- oder Leitwerksregelung benötigen, um die richtige Ausrichtung zu gewährleisten. Es wurde jedoch beobachtet, dass windabgewandte Rotoren bei niedrigen Windgeschwindigkeiten beim Ausrichten in den Wind abdriften, was zu einer reduzierten Energieausbeute bei diesen Geschwindigkeiten führt.
HAWTs verfügen über horizontal montierte, senkrecht zum Boden stehende Rotoren. HAWTs können, wie VAWTs, zwei oder drei Rotorblätter haben. Bislang hat sich die dreiblättrige HAWT als die effektivste Konstruktion erwiesen, doch auch Modelle mit zweiblättrigem Rotor und dem Wind zugewandtem Rotor haben sich bewährt. Die Turbine der Gondel kann entweder nach vorn (gegen den Wind) oder nach hinten (mit dem Wind) ausgerichtet sein. Bei Windrichtungsanlagen ist kein mechanisches Ausrichtungssystem erforderlich, da sie immer in Windrichtung ausgerichtet sind. Das ständige Schwingen durch Windböen ist der größte Nachteil, da es zu erhöhter Ermüdung führt. Im Folgenden erfahren Sie mehr über Windturbinentypen mit horizontaler Achse.
Was sind Windturbinentypen mit horizontaler Achse?
Horizontalachsige Windkraftanlagen zeichnen sich durch ein äußerst effektives Design aus und erfreuen sich großer Beliebtheit. Wie bei anderen Windkraftanlagen gibt es auch horizontalachsige Windkraftanlagen. Die Typen sind wie folgt:
1. Aufwindturbine
Der Rotor einer Luv-Windkraftanlage ist auf der Turmspitze montiert . Hauptziel dieser Turbine ist es, zu verhindern, dass der Wind die Rückseite des Turms beschattet. Aufgrund ihrer Stabilität und des Abstands zum Turm wird diese Bauweise derzeit bei den meisten Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWTs) eingesetzt.
2. Windrichtungsturbine
Der Rotor einer nach unten gerichteten Windkraftanlage befindet sich am Fuß des Turms . Diese spezielle Turbine lenkt den Wind zunächst auf den Turm und dann auf die Rotorblätter. Da der Rotor den Windschatten des Turms durchläuft, unterliegt diese Windkraftanlage Schwankungen der Windstärke. Diese Schwankungen werden durch die Position des Rotors hinter der Gondel des Turms verursacht. Dies sollte Ihnen geholfen haben, die verschiedenen Arten von Horizontalachsen-Windkraftanlagen zu verstehen.
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Was ist das Funktionsprinzip einer Windturbine mit horizontaler Achse?
Nachdem wir die verschiedenen Arten von Horizontalachsen-Windkraftanlagen kennengelernt haben, betrachten wir nun deren Funktionsprinzip. Der Rotor wandelt die Windenergie in Drehmoment um , das dann auf eine langsam drehende Welle übertragen wird. Die Gondel schützt das Getriebe, die Hochgeschwindigkeitswelle und den Generator, die von der Niedriggeschwindigkeitswelle angetrieben werden. Die Rotorblätter sind am Rotor und an der Welle befestigt. Diese Welle wird als Niedriggeschwindigkeitswelle bezeichnet, da die rotierende Baugruppe vom Wind nur mit etwa 10 bis 20 Umdrehungen pro Minute (U/min) angetrieben wird.
Um die gewünschte Ausgangsfrequenz von 60 Hz zu erreichen, ist die langsam laufende Welle mit dem Getriebe verbunden. Dieses Getriebe verfügt über ein Zahnradsystem, das die Ausgangsdrehzahl der Welle auf etwa 1,800 U/min erhöht (bzw. auf 1,500 U/min bei einer Frequenz von 50 Hz). Daher wird die aus dem Getriebe austretende Welle oft als schnell laufende Welle bezeichnet. Schließlich ist die schnell laufende Welle mit dem Generator gekoppelt , der die Drehbewegung in Wechselstrom umwandelt. Wird diese Drehzahl genutzt, um den Generator direkt anzutreiben, ist die Frequenz des Wechselstroms exakt proportional zur Drehzahl des Generators.
Direktgetriebene Windkraftanlagen verwenden beispielsweise typischerweise einen Gleichstromgenerator anstelle eines Wechselstromgenerators und verfügen nicht über ein Getriebe. Es ist unklar, ob ein AC/DC-Wandler (der sich am Turmfuß befinden kann) Teil dieser Anlagen ist. Industrielle Turbinen werden von einer speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) oder einem Computer gesteuert. Die Messwerte des Anemometers werden von der Steuerung verwendet, um zu entscheiden, in welche Richtung die Windkraftanlage ausgerichtet sein soll, wie viel Energie sie sammeln soll und ob die Anlage bei starkem Wind beschleunigen darf. Dies ist das Funktionsprinzip einer horizontalachsigen Windkraftanlage. Im Folgenden werden die Komponenten horizontalachsiger Windkraftanlagen näher erläutert.
Was sind Windturbinenkomponenten mit horizontaler Achse?
Zu den Komponenten einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse gehören eine Basis, ein Turm, eine Gondel, ein Generator, Rotorblätter, eine Nabe, eine Welle, Getriebe und Anemometer.
1. Fundament: Der Turm und die anderen Komponenten einer Windkraftanlage wiegen eine beträchtliche Anzahl Tonnen; daher müssen sie sicher auf einem felsenfesten Fundament befestigt werden.
2. Turm: Eine hohe Konstruktion, die Rotornabe und Gondel trägt. Diese können aus Stahlgitter, Beton oder Stahlrohr gefertigt sein. Ein Schlüsselaspekt bei der Konstruktion von Horizontalachsen-Windkraftanlagen ist die Turmhöhe. Durch die Erhöhung des Turms können die Turbinen mehr Windenergie aufnehmen und mehr Strom erzeugen, da die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt. Eine größere Turmhöhe führt in der Regel zu einer höheren Stromerzeugung und verringert gleichzeitig die Windturbulenzen.
3. Rotorblätter: Windkraftanlagenflügel fangen die kinetische Energie des Windes ein und wandeln sie in mechanische Energie um. Diese Rotorblätter bestehen aus Holz-Epoxidharz oder Polyester , das mit Glasfaser verstärkt ist. Je nach Bauart können Windkraftanlagen ein, zwei, drei oder mehr Rotorblätter haben. Dreiflügelige Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWTs) sind der Standard. Die Rotorblätter sind an der Nabe des Rotors befestigt. Früher nutzte man das Prinzip mehrerer Rotorblätter, um Wasser zu pumpen, Lebensmittel zu mahlen und andere Aufgaben zu erledigen.
4. Gondel: Die Gondel beherbergt die wichtigsten Komponenten der Turbine. Getriebe, Hoch- und Niedrigdrehzahlwellen, Generator, Steuerung und Bremsen sind alle ganz oben auf dem Turm montiert. Die Gondel ist mit einem Anemometer zur Messung der Windgeschwindigkeit und einer Windfahne zur Bestimmung der Windrichtung ausgestattet.
5. Nabe: Die Verbindung eines Rotorblatts mit der Welle einer Windkraftanlage erfordert eine Rotornabe. Nabe, Schrauben, Blattlager, Pitchsystem und Innenteile bilden die Nabenbaugruppe. Für die Herstellung von Rotornaben werden Stahl, Eisen und Schmiedestahl verwendet, und das Schweißen ist unerlässlich. Hier einige Beispiele für Rotornaben:
6. Antriebswellen: Die Antriebswelle, die die Kraft auf die Antriebsräder überträgt, weist aufgrund ihrer Hohl- oder Vollstahlkonstruktion extrem hohe Drehmoment- und Belastungsniveaus auf. Mithilfe von Antriebswellen kann die mechanische Energie der Rotorblattnabe an den Generator weitergeleitet werden, der die Drehbewegung in elektrischen Strom umwandelt. Typischerweise verfügt eine Windkraftanlage über zwei Antriebswellen.
7. Getriebe: Die Getriebeausgangswelle ist mit dem Generator gekoppelt, um Rotationsenergie zu übertragen. Das Funktionsprinzip basiert auf dem Faradayschen Induktionsgesetz . Es handelt sich um ein Gerät, das aus mechanischer Energie elektrische Energie erzeugt. Bei Windkraftanlagen kommen verschiedene Getriebetypen zum Einsatz: Planetengetriebe, Stirnradgetriebe und Schneckengetriebe.
8. Anemometer: Die kinetische Energie des Windes hängt maßgeblich von seiner Geschwindigkeit ab. Die dritte Potenz der Windgeschwindigkeit ist direkt proportional zur Windenergie. Bei der Standortwahl ist es daher entscheidend, die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in der Region zu berücksichtigen. Ein Anemometer dient zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit. Typischerweise befinden sich diese oberhalb der Gondel.
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Wofür werden Horizontalachsenturbinen verwendet?
Um die Leistung und Energieeffizienz zu maximieren, nutzen große Windkraftanlagen oft horizontale Windturbinen. Diese Windturbinen sind typischerweise in
- Fertigungsstätten
- Riesige Windparks
- Staatlich geförderte Gebäude
Damit haben Sie erfahren, wofür Horizontalachsenturbinen eingesetzt werden. Im Anschluss daran können Sie sich mit den Vor- und Nachteilen von Horizontalachsen-Windkraftanlagen auseinandersetzen.
Was sind die Vor- und Nachteile einer Windkraftanlage mit horizontaler Achse?
Wie bei anderen Geräten sind auch bei Windkraftanlagen mit horizontaler Achse die Vor- und Nachteile offensichtlich. Hier erfahren Sie mehr darüber.
Vorteile einer Windturbine mit horizontaler Achse-
1. Mächtige Generationen
Horizontalachsen-Windkraftanlagen können je nach Anwendungsfall mit einer Leistung von 2 MW bis 8 MW gebaut werden. Eine Onshore-Windkraftanlage mit einer Kapazität von 2.5–3.0 MW kann jährlich rund 6 Millionen kWh erzeugen, was ausreicht, um 1,500 typische EU-Haushalte mit Strom zu versorgen. Die tatsächliche Leistung hängt von der Größe der Anlage und der Windgeschwindigkeit ab.
2. Ausreichend zuverlässig
Horizontalachsen-Windkraftanlagen dominieren den Markt seit vielen Jahren, daher sind ihre Konstruktion und Entwicklung weit fortgeschritten. Sowohl die Praxistauglichkeit und der Nutzen bereits erhältlicher Horizontalachsen-Windkraftanlagen als auch ihre potenzielle zukünftige Entwicklung werden untersucht.
3. Außergewöhnlich starke Betriebswinde
Horizontalachsen-Windkraftanlagen nutzen den Wind aufgrund der Rotorhöhe bei höheren Geschwindigkeiten . Dadurch arbeiten sie in der Regel auch bei höheren Windgeschwindigkeiten optimal, was für ihre Leistungsfähigkeit ideal ist. Die Luftströmung in großer Höhe ist meist gleichmäßig, was Horizontalachsen-Windkraftanlagen zu einer zuverlässigeren Quelle erneuerbarer Energie macht.
4. Effizienz auf sehr hohem Niveau
Energieumwandlung ohne Verluste ist unmöglich. Ein Schwerpunkt der Produktentwicklung im Windenergiesektor liegt daher auf der Steigerung der Energieumwandlungseffizienz. Aktuell sind Windkraftanlagen mit horizontaler Achse am produktivsten. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von 40–50 Prozent der einfallenden Windenergie, die in nutzbaren Strom umgewandelt werden können.
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Nachteile von Windturbinen mit horizontaler Achse-
1. Schwer zu transportieren, aufzubauen und instand zu halten.
Da Horizontalachsen-Windkraftanlagen so massiv sind , stellen sie beim Transport und der Installation erhebliche logistische und technische Herausforderungen dar. Ihre Rotorblätter können bis zu 70 Meter lang und bis zu 20 Tonnen schwer sein, weshalb eine Installation auf den engen, kurvenreichen Straßen hügeliger Regionen oder auf normalen Stadtstraßen mit Wohnhäusern, Versorgungsleitungen und Straßenlaternen unwahrscheinlich ist.
2. Der Umwelt Schaden zufügen.
Die Auswirkungen von Windkraftanlagen mit horizontaler Achse auf die Umwelt sind nach wie vor Gegenstand vieler Debatten und Kontroversen . Das ohrenbetäubende Geräusch der massiven Rotorblätter, die sich durch die Luft schneiden, der gewaltige Schattenwurf und die Beeinträchtigung der umliegenden Fauna und Ökosysteme geben Anlass zur Sorge.
3. Veränderung des marinen Ökosystems
Offshore-Windturbinen werden das marine Ökosystem wahrscheinlich auf eine Weise verändern, die wir noch nicht verstehen, während horizontale Rotorblätter eine Kollisionsgefahr mit fliegenden Lebewesen. Mehrere Studien haben ergeben, dass Windkraftanlagen nicht direkt für mehr als ein Prozent der jährlichen Todesfälle von Vögeln in den Vereinigten Staaten verantwortlich sind, die durch Unfälle mit von Menschenhand geschaffenen Objekten und Praktiken verursacht werden.
4. Strenge Anforderungen für die Einrichtung
Die Vorschriften für die Entwicklung und Installation von Windkraftanlagen können trotz der weltweiten Fördermaßnahmen von Regierungen zur Energiewende Hindernisse darstellen . Bei einer Horizontalachsen-Windkraftanlage beträgt der vorgeschriebene Mindestabstand zu einem angrenzenden Wohnhaus beispielsweise typischerweise das Vierfache der Anlagenhöhe. Die Stadtverwaltung muss vor dem Bau eines Windparks eine Lärmstudie durchführen . Dabei müssen sowohl der Umgebungslärm als auch der vom Windpark selbst erzeugte Lärm berücksichtigt werden. Zwar gibt es oft hilfreiche Faustregeln, doch die konkreten Richtlinien können je nach politischen, sozialen und klimatischen Gegebenheiten variieren.
Horizontale Windturbinen spielen und werden in Ihrer Zukunft auf erneuerbaren Energien eine große Rolle spielen. Es ist wichtig, alle Aspekte dieser Technologien zu verstehen, wie z. B. die Vor- und Nachteile horizontaler Windturbinen, die verschiedenen Typen horizontaler Windturbinen usw. So sind Sie für die Zukunft gerüstet.
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