Energiekonzepte

Wie funktionieren Windturbinen?

Seit zweitausend Jahren helfen Windmühlen der Menschheit, die im Wind enthaltene Energie in viele andere nützliche Formen umzuwandeln. Die heutigen Windturbinen sind in der Lage, eine große Menge an Windenergie in Strom umzuwandeln. Dies ist den Flügeln zu verdanken, die mit Hilfe modernster aerodynamischer Analysen und anderer leistungssteigernder Ausrüstung entwickelt wurden. In diesem Video werden wir diese verschiedenen Technologien auf einfache, aber wissenschaftliche Weise untersuchen. Wenn der wehende Wind den Flügel drehen kann, erhalten wir Strom von dem Generator, der daran befestigt ist.

Aber wie dreht der Wind den Flügel? Schauen wir uns den Flügel genau an. Der Flügel hat von der Wurzel bis zur Spitze eine Vielzahl von Profilquerschnitten in verschiedenen Größen und Formen. Die einfache Tragflächentechnologie sorgt dafür, dass sich das Windradblatt dreht.

Das bedeutet, dass eine Auftriebskraft erzeugt wird, wenn sich ein Fluid über ein Tragflächenprofil bewegt.

Auf diese Weise erreicht die Windturbine die grundlegende Rotation, an die wir gewöhnt sind. So wie man in einem fahrenden Zug die Dinge relativ erlebt, erlebt auch das sich bewegende Windradblatt den Wind relativ. Für das sich bewegende Blatt ist die relative Windgeschwindigkeit wie dargestellt. Daher wird das Blatt der Windkraftanlage schräg gestellt, um sich der relativen Windgeschwindigkeit anzupassen. Mit zunehmender Blattgeschwindigkeit zur Spitze hin wird die relative Windgeschwindigkeit zur Spitze hin immer stärker geneigt.

Dies bedeutet, dass das Blatt von der Wurzel bis zur Spitze eine kontinuierliche Drehung erfährt. Diese Drehung kann jedoch nicht direkt an einen Generator gekoppelt werden. Die Rotorblätter von Windkraftanlagen drehen sich in der Regel mit einer sehr niedrigen Drehzahl, was auf die Geräuschentwicklung und die mechanische Festigkeit zurückzuführen ist.

In Anbetracht dieser niedrigen Drehgeschwindigkeit können wir mit einem Generator keine sinnvolle Stromfrequenz erzeugen. Daher wird die Drehzahl vor dem Anschluss an den Generator in einem Getriebe erhöht.

Das Getriebe verwendet eine Planetengetriebeanordnung, um das hohe Drehzahlverhältnis zu erreichen. In der Gondel befindet sich auch eine Bremse. Die Funktion der Bremse besteht darin, die Drehung der Windblätter bei zu viel Wind zu stoppen. Folglich wird der Strom durch die Kabel zum Sockel geleitet, wo sich ein Aufwärtstransformator befindet. Die Windturbine sollte normalerweise dem Wind zugewandt sein, um eine maximale Energieausbeute zu erzielen. Die Windrichtung kann sich jedoch jederzeit ändern.

Ein Geschwindigkeitssensor auf der Oberseite der Gondel misst die Windgeschwindigkeit und -richtung. Die Abweichung der Windrichtung wird an eine elektronische Steuerung weitergeleitet, die wiederum ein entsprechendes Signal an den Giermechanismus sendet, um den Fehler zu korrigieren. Sie können sehen, wie die Gondel durch die Giermotoren gedreht wird. So wird die Windturbine immer nach der Windrichtung ausgerichtet: Je nach Windgeschwindigkeit ändert sich auch der relative Geschwindigkeitswinkel des Windes. Ein Blattkippmechanismus kippt die Blätter und garantiert eine korrekte Ausrichtung des Blattes mit der Relativgeschwindigkeit.

So stehen die Blätter immer im optimalen Anstellwinkel zur jeweiligen Windströmung. Der Wirkungsgrad der Windkraftanlage ist das wirklich interessante Thema. Um einen guten Einblick in die Effizienz einer Windkraftanlage zu bekommen, nehmen Sie an, dass Sie die Windgeschwindigkeit stromaufwärts und stromabwärts über der Windkraftanlage messen. Sie können feststellen, dass die Windgeschwindigkeit stromabwärts viel geringer ist als stromaufwärts. Das liegt daran, dass die Rotorblätter einen Teil der kinetischen Energie des Windes absorbieren.

Die gleiche Energiemenge wird in mechanische Leistung der Windturbine umgewandelt. Interessant ist, dass eine Windturbine nur dann 100 Prozent der verfügbaren kinetischen Energie absorbiert, wenn die Windgeschwindigkeit stromabwärts Null wird.

Eine Windgeschwindigkeit von Null ist jedoch eine physikalisch unmögliche Bedingung. Diese Zeichentrickanimation verdeutlicht diese Tatsache. Eine Geschwindigkeit von Null stromabwärts bedeutet einfach, dass die gesamte Strömung stillsteht.

Diese physikalische Realität der Strömung erfordert einen bestimmten Betrag an Austrittswindgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass es einen theoretisch maximalen Wirkungsgrad gibt, den eine Windkraftanlage erreichen kann. Diese Grenze ist als Betzsche Grenze bekannt. Im Wesentlichen bedeutet dies, dass keine Windkraftanlage auf der Welt jemals die Wirkungsgradgrenze von 59,3 Prozent überschreiten kann.