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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Wie moderne Windkraftanlagen mit den Launen des Windes umgehen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Im vorrevolutionären Russland gab es keine Industrie, die Windkraftanlagen herstellte; Sie wurden nur in handwerklicher Weise gebaut. Doch die Idee der besten und profitabelsten Nutzung der Windenergie hat ihren Ursprung in Russland. Der große russische Wissenschaftler, „Vater der russischen Luftfahrt“, Professor N. E. Schukowski (1847-1921), schuf auch die theoretischen Grundlagen eines Windmotors. Seine bemerkenswerten Werke fanden erst unter sowjetischer Herrschaft praktische Anwendung. Auf Initiative von N. E. Schukowski und mit Unterstützung von W. I. Lenin wurde 1918 in Moskau das Zentrale Aerohydrodynamische Institut (TsAGI) gegründet. Hier wurden die ersten heimischen Hochgeschwindigkeitswindkraftanlagen gebaut. Basierend auf den Werken von Prof. N. E. Schukowski, seine Schüler Prof. V. P. Vetchinkin (1888-1950), Verdienter Arbeiter für Wissenschaft und Technologie, Prof. G. X. Sabinin und Prof. N.V. Krasovsky entwickelte die theoretischen Grundlagen für die Konstruktion hochwertiger moderner Windkraftanlagen und Prof. E. M. Fateev entwickelte die Grundlagen ihrer korrekten Funktionsweise in der Landwirtschaft. Sowjetische Designer schufen originelle und in ihrer Qualität noch immer unübertroffene Hochgeschwindigkeitswindturbinen mit einer Leistung von mehreren zehn Watt bis zu mehreren tausend Kilowatt. Fabrikgefertigte Ganzmetall-Windkraftanlagen verfügen im Gegensatz zu den oben diskutierten Holz-Metall-Windkraftanlagen über spezielle Vorrichtungen, um den „Launen“ des Windes entgegenzuwirken. Jeder weiß, dass der Wind mehrmals am Tag seine Richtung und Geschwindigkeit ändern kann. Die einfachsten Trommelwindturbinen verfügten über einen Windenergieempfänger, der ein für alle Mal fest an einer beliebigen Position installiert war. Karussell- und Rotationswindturbinen sind in jeder Windrichtung betriebsbereit, jedoch nicht wie Trommelwindturbinen geschützt vor möglicher Zerstörung bei starkem Wind. Die einfachste Windmühle kann nur in Anwesenheit einer Person normal funktionieren. Die Person muss den Wind überwachen und das Windrad rechtzeitig in die richtige Position bringen. Wenn die Windmühle groß ist, dann mindestens zwei Menschen werden benötigt, um das Rad im Wind zu installieren, wenn es nicht über ein spezielles Tor verfügt (die einfachste Maschine zum Heben einer Last). Mit der Weiterentwicklung der Technologie zum Bau von Windkraftanlagen begann man zu streben, die Kraft des zu nutzen Wind drehte das Windrad nicht nur, sondern richtete es auch automatisch gegen den Wind aus, wie man es bei einer herkömmlichen Wetterfahne sehen kann, die die Richtung des Windes anzeigt. Dazu begann man, an der Rückseite Teile des rotierenden Kopfes anzubringen ein Schwanz, bestehend aus einem langen Stab oder einem speziellen Fachwerk mit einer Oberfläche am Ende, die Schwanzfedern genannt wird (vgl. Reis. 24).
Wenn der Wind seine Richtung änderte, drehte der Schwanz automatisch den Kopf. Das Windrad wurde wieder frontal zum Wind montiert. So entstand das einfachste Gerät, um ein Windrad ohne menschliches Zutun in den Wind zu drehen. Bei modernen Windkraftanlagen sind die Leitwerke so berechnet, dass sie beginnen, den Kopf mit dem Windrad in den Wind zu drehen, wenn sich seine Richtung um einen Winkel von etwa 10 Grad ändert. Um die Köpfe großer Windkraftanlagen zu drehen, werden Schwanzfedern manchmal in Form von zwei oder drei vertikalen Flächen hergestellt, die parallel und in einiger Entfernung voneinander angeordnet sind (siehe Abb. 27). Bei anderen Windkraftanlagen übernimmt das Windrad selbst die Rolle des Hecks. Sobald der Wind seine Richtung ändert, positioniert er sich gegen den Wind. Dazu wird das Windrad nicht vor, sondern hinter dem Turm platziert. In diesem Fall folgt das Rad, ähnlich einer Wetterfahne, automatisch dem Wind. Wenn das Windrad groß ist, können scharfe Drehungen des Hecks zum Bruch der Flügel führen. Deshalb werden mit Hilfe von Leitwerken meist nur kleine Windräder mit Durchmessern bis zu 18 Metern in den Wind eingebaut. Die gebräuchlichsten Geräte bestehen aus zwei mehrflügeligen Windrädern, die an der Rückseite des Kopfträgers angebracht sind. Solche Geräte werden Windows genannt. Die Windrosen sind so angeordnet, dass sie, wenn der Wind vorne in das Laufrad bläst, in die Windrichtung zeigen und bewegungslos stehen bleiben. Wenn der Wind von der Seite weht, beginnen sich die Schwaden zu bewegen und drehen über einen Übertragungsmechanismus den Kopf mit dem Windrad in den Wind, bis er streng gegen den Wind steht (Abb. 26). Zu diesem Zeitpunkt positionieren sich die Windrosen wieder mit der Kante zum Wind und bleiben stehen, bis der Wind wieder seine Richtung ändert.
Mit anderen raffinierten Vorrichtungen werden die großen Windräder moderner Hochgeschwindigkeitswindkraftanlagen in Wind verwandelt. Bei jedem Wind bewegen sie das Windrad vorsichtig und sanft in den Wind. Typischerweise drehen interne Mechanismen den Kopf relativ zum Revolver mit einer sehr geringen Geschwindigkeit, einer vollen Umdrehung in wenigen Minuten. Bei großen Windkraftanlagen wird der Winddruck mithilfe eines Elektromotors, der von einer kleinen Wetterfahne gesteuert wird, in den Wind eingestellt. Wenn sich die Windrichtung ändert, dreht sich die Wetterfahne und schließt die Stromleitung, wodurch automatisch der Elektromotor eingeschaltet wird. Der Elektromotor stoppt erst, wenn die Leitung getrennt wird. Und das geschieht, wenn die Wetterfahne entlang des Luftstroms positioniert ist und das Windrad frontal zum Wind ausgerichtet ist. Dies sind die Hauptvorrichtungen moderner Windkraftanlagen, um das Windrad automatisch in den Wind zu drehen. Allerdings kann der Wind nicht nur seine Richtung, sondern auch seine Geschwindigkeit ändern. Dadurch ändert sich auch die Druckkraft auf das Windrad. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit nimmt die Drehzahl des Windrades zu. Sie können große Werte erreichen. Dies ist nicht nur gefährlich für die Festigkeit des Rades, sondern auch für die gesamte Anlage und die daran angeschlossenen Maschinen. Um dies zu vermeiden, sind moderne Windkraftanlagen mit speziellen Vorrichtungen ausgestattet, die bei hohen Windgeschwindigkeiten zum Einsatz kommen. Sie sorgen dafür, dass bei weiterer Verstärkung des Windes die Drehzahl des Windrads nicht zunimmt und bei Sturm stoppt. Die einfachste Methode, die Geschwindigkeit eines Windrads zu begrenzen, besteht darin, dass es ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit beginnt, sich teilweise aus dem Wind zu bewegen. Mit zunehmender Windgeschwindigkeit dreht sich das Windrad immer stärker, bei Sturm stellt es sich mit der Kante in Richtung Luftströmung und bleibt stehen. Gleichzeitig werden die Steuerfedern gespannt oder ein spezielles Gewicht angehoben, das bei nachlassender Windgeschwindigkeit das Windrad wieder in den Wind bringt. Die Drehzahlregulierung durch Ausfahren des gesamten Windrads aus dem Wind kommt üblicherweise nur bei langsam laufenden Windkraftanlagen mit kleinen Windrädern zum Einsatz. Zur Drehzahlregelung großer Hochgeschwindigkeits-Windkraftanlagen werden nicht die Windräder, sondern einzelne Flügel oder deren Endteile, entsprechend 1/4 oder 1/8 der Gesamtlänge des Flügels, aus dem Wind genommen. Die derzeit fortschrittlichste Methode besteht darin, Hochgeschwindigkeits-Windkraftanlagen mithilfe spezieller stromlinienförmiger Oberflächen zu regulieren – Stabilisatoren, die auf Gestellen an den rotierenden Teilen der Flügel befestigt sind. Die Stabilisatoren werden durch Fliehgewichte gesteuert, die sich im Inneren der Flügel befinden. Lasten reagieren sehr empfindlich auf Änderungen der Geschwindigkeit des Windrades und damit der Windgeschwindigkeit. Durch eine leichte Bewegung der Fliehgewichte drehen sich die Stabilisatoren, auf die durch den entgegenkommenden Wind eine Kraft ausgeübt wird, die die Enden der Rotorblätter dreht, genau wie ein kleines Ruder ein großes Boot dreht. Wenn die rotierenden Teile der Flügel unter dem Wind hervorkommen, verringert sich die Drehzahl des Windrades. Diese ursprüngliche Regelung wurde von sowjetischen Wissenschaftlern und Designern unter der Leitung des Verdienten Arbeiters für Wissenschaft und Technologie, Prof. G. X. Sabinina und Prof. N. V. Krasovsky. Es wird in den meisten modernen Hochgeschwindigkeitswindkraftanlagen mit einer Leistung von 10 bis 1000 Kilowatt eingesetzt. Erfinder A.G. Ufimtsev und Prof. V. P. Vetchinkin schlug vor, die Geschwindigkeit der Windräder von Hochgeschwindigkeitswindkraftanlagen dadurch zu regulieren, dass die Flügel aufgrund des Drucks des Luftstroms auf sie vom Wind entfernt werden. Bei starkem Wind können sich die Flügel wie Wetterfahnen relativ zu den Schlagachsen drehen und so den Luftstrom ungehindert passieren lassen. Die bei dieser Regelung erforderliche Gleichmäßigkeit der Drehung des Windrads wird durch den Betrieb der sogenannten Trägheitsbatterie oder einfacher eines im Getriebe enthaltenen Schwungrads erreicht. Die schnell rotierende Speicherscheibe nimmt überschüssige Energie auf, wenn die Windgeschwindigkeit zunimmt, und gibt diese Energie an Arbeitsmaschinen ab, wenn die Windgeschwindigkeit abnimmt. Eine solche Regelung ist beispielsweise in den Windkraftanlagen 1-D-18 des Ufimtsev-Vetchinkin-Systems installiert (Abb. 27).
Bei kleinen Hochgeschwindigkeitswindkraftanlagen erfolgt die Drehung der Flügel durch zusätzliche Zentrifugalkräfte, die an speziellen Gewichten entstehen, die an den Flügeln in der Nähe der Windradwelle befestigt sind. Dieses Gerät, einfach in der Ausführung und sehr originell im Konzept, wurde vom Preisträger V. S. Shamanin vorgeschlagen. Hierbei handelt es sich um die grundlegenden automatischen Mechanismen moderner Flügelrad-Windkraftanlagen, mit deren Hilfe die Windräder in den Wind eingebaut werden und bei hohen Geschwindigkeiten die vorgegebene Geschwindigkeit aufrechterhalten. Autor: Karmishin A.V.
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