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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Arten von Windkraftanlagen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Es gibt viele verschiedene Windkraftanlagen (WKA), aber alle lassen sich in zwei Typen unterteilen: mit horizontaler und vertikaler Rotationsachse. Erstere haben ein komplexes Design, weisen jedoch eine höhere Effizienz bei der Nutzung der Windenergie auf und werden daher häufiger in der Industrie eingesetzt. Die zweiten sind einfacher im Design, aber weniger produktiv. Sie sind selten auf dem Markt zu finden und werden meist in Privathäusern verwendet. Horizontale (Flügel-)Windräder Weit verbreitet sind Windkraftanlagen mit geflügelten Windrädern und horizontaler Rotationsachse (Abb. 1). Unter ihnen haben zwei- und dreiflügelige Windräder die größte Entwicklung erfahren. Horizontal (Flügel; WES – Flügelmechanismen mit horizontaler Rotationsachse. Die Rotationsgeschwindigkeit und die einfache Herstellung haben zu einer weit verbreiteten Verwendung von Flügelwindgeneratoren in der Industrie geführt. Um eine maximale Rotationsgeschwindigkeit zu gewährleisten, müssen die Flügel eines Flügelwindgenerators vertikal positioniert werden - senkrecht zum Luftstrom. Um dies zu erreichen, wird ein spezielles Gerät verwendet - Stabilisator. Horizontale Windparks können ohne Multiplikatoren direkt an den Generator angeschlossen werden. Flügelwindgeneratoren haben einen viel höheren Windenergienutzungskoeffizienten. Bei der Gleichzeitig ist ihre Rotationsgeschwindigkeit umgekehrt proportional zur Anzahl der Flügel. Mit anderen Worten: Je weniger Flügel, desto höher die Rotationsgeschwindigkeit. Daher werden Anlagen mit mehr als drei Flügeln praktisch nicht verwendet. Das Drehmoment des Windrades in ihnen entsteht durch die Auftriebskraft, die entsteht, wenn der Luftstrom das Profil der Flügel umströmt. Dadurch wird die kinetische Energie der Luftströmung innerhalb des von den Rotorblättern überstrichenen Bereichs in mechanische Rotationsenergie des Windrades umgewandelt. Die an der Achse des Windrads entwickelte Kraft ist proportional zum Quadrat seines Durchmessers und der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Nach der klassischen Theorie von N. E. Zhukovsky beträgt der Windenergienutzungskoeffizient für ein ideales Windrad ξ=0,593. Das heißt, ein ideales Windrad (mit unendlich vielen Flügeln) kann 59,3 % der durch seinen Querschnitt fließenden Energie extrahieren. In der Praxis erreicht der maximale Wert des Windenergienutzungskoeffizienten bei den besten Hochgeschwindigkeitsrädern 0,45–0,48 und bei Niedriggeschwindigkeitsrädern bis zu 0,36–0,38. Ein wichtiges Merkmal eines Windrades ist seine Geschwindigkeit, die das Verhältnis der Geschwindigkeit der Blattspitze zur Geschwindigkeit der Windströmung darstellt. Normalerweise bewegt sich die Blattspitze in der Ebene des Windrads mit einer Geschwindigkeit, die um ein Vielfaches höher ist als die Windgeschwindigkeit. Die optimalen Geschwindigkeitswerte für ein Zwei-Blatt-Rad liegen bei 5-7, für ein Drei-Blatt-Rad bei 4-5 und für ein Sechs-Blatt-Rad bei 2,5-3,5. Von den Konstruktionsmerkmalen wird die Leistung eines Windrads hauptsächlich durch seinen Durchmesser sowie die Form und das Profil der Flügel beeinflusst. Die Leistung hängt wenig von der Anzahl der Klingen ab. Die Rotationsfrequenz des Windrades ist proportional zur Geschwindigkeit und Drehzahl des Windrades und umgekehrt proportional zum Durchmesser. Die Höhe der Leistung wird auch von der Höhe der Radmitte beeinflusst, da die Windgeschwindigkeit von der Höhe abhängt. Die Leistung einer Windkraftanlage ist, wie bereits erwähnt, proportional zur Windgeschwindigkeit in der dritten Potenz. Bei Auslegungswindgeschwindigkeiten und höher arbeitet die Windkraftanlage mit ihrer Nennleistung. Bei Windgeschwindigkeiten unterhalb der Auslegungsleistung einer Windkraftanlage kann sie 20–30 % der Nennleistung oder weniger betragen. Bei solchen Betriebsarten kommt es bei Generatoren aufgrund ihres geringen Wirkungsgrades bei geringer Last zu großen Energieverlusten und bei Asynchrongeneratoren entstehen darüber hinaus große Blindströme, die kompensiert werden müssen. Um diesen Nachteil zu beseitigen, verwenden einige Windkraftanlagen Generatoren mit Nennleistungen von 100 und 20–30 % der Nennleistung der Windkraftanlage. Bei schwachem Wind wird zunächst der Generator abgeschaltet. Bei einigen Windkraftanlagen bietet ein kleiner Generator auch die Möglichkeit, die Anlage bei geringen Windgeschwindigkeiten mit hohem Windenergienutzungskoeffizienten zu betreiben. Einbau des Windrads „in Richtung der Wind“, d. h. senkrecht zur Windrichtung, erfolgt bei Einheiten sehr geringer Leistung mit Hilfe eines Schwanzes (Schwanz), bei Einheiten kleiner und mittlerer Leistung – durch den Windrosenmechanismus und bei modernen Großanlagen - mit einem speziellen Orientierungssystem, das die Steuerimpulse des Windrichtungsgebers (Flügel) empfängt und an der Oberseite der Gondel der Windkraftanlage installiert ist. Der Windrosenmechanismus besteht aus einem oder zwei kleinen Windrädern, deren Rotationsebene senkrecht zur Rotationsebene des Hauptrads verläuft und die eine Schnecke antreiben, die die Plattform des Windmotorkopfes in Drehung versetzt bis die Windrosen in einer Ebene parallel zur Windrichtung liegen. Vor und hinter dem Turm kann sich ein Flügelwindrad mit horizontaler Drehachse befinden. Im letzteren Fall ist das Rotorblatt beim Passieren im Schatten des Turms immer wieder wechselnden Kräften ausgesetzt, was gleichzeitig den Geräuschpegel deutlich erhöht. Um die Leistung zu regulieren und die Drehzahl eines Windrads zu begrenzen, werden verschiedene Methoden eingesetzt, darunter die Drehung der Flügel oder Teile davon um ihre Längsachse sowie Klappen, Ventile an den Flügeln und andere Methoden. Die wesentlichen Vorteile von Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse des Windrades bestehen darin, dass die Bedingungen der Luftströmung um die Rotorblätter konstant sind und sich bei Drehung des Windrades nicht ändern, sondern nur durch die Windgeschwindigkeit bestimmt werden. Dadurch und auch durch einen relativ hohen Windenergienutzungsgrad. Am weitesten verbreitet sind derzeit Flügelrad-Windkraftanlagen. Vertikale (Rotor-)Windkraftanlagen Eine andere Art von Windrad ist der Savonius-Rotor (Abb. 2). Drehmoment entsteht, wenn Luft um den Rotor strömt, und zwar aufgrund des unterschiedlichen Widerstands der konvexen und konkaven Teile des Rotors. Das Rad ist einfach, hat aber einen sehr geringen Windenergienutzungsgrad – nur 0,10–0,15. In den letzten Jahren haben einige ausländische Länder, insbesondere Kanada, mit der Entwicklung einer Windkraftanlage mit einem Darrieus-Rotor begonnen, der 1920 in Frankreich vorgeschlagen wurde. Dieser Rotor hat eine vertikale Rotationsachse und besteht aus zwei bis vier gebogenen Rotorblättern. Die Schaufeln bilden eine räumliche Struktur, die unter Einwirkung von Auftriebskräften den Boden dreht. entstehen durch die Windströmung an den Rotorblättern. Beim Darrieus-Rotor erreicht der Windenergienutzungskoeffizient Werte von 0,30 bis 0,35. Kürzlich wurden Entwicklungen an einem Darrieus-Rotationsmotor mit geraden Schaufeln durchgeführt. Der Hauptvorteil von Darrieus-Windkraftanlagen besteht darin, dass sie keinen Windausrichtungsmechanismus benötigen. Ihr Generator und andere Mechanismen befinden sich in geringer Höhe in der Nähe der Basis. All dies vereinfacht das Design erheblich. Ein gravierender organischer Nachteil dieser Windkraftanlagen ist jedoch eine deutliche Änderung der Umströmungsbedingungen des Flügels während einer Rotorumdrehung, die sich im Betrieb zyklisch wiederholt. Dies kann zu Ermüdungserscheinungen und zur Zerstörung von Rotorelementen sowie zu schweren Unfällen führen, was bei der Auslegung des Rotors (insbesondere bei hohen Windenergieanlagenleistungen) berücksichtigt werden muss. Außerdem müssen sie aufgedreht werden, um mit der Arbeit beginnen zu können. Vertikale (Karussell-, Rotations-)Windparks sind Rotorblätter mit vertikaler Rotationsachse. Sie arbeiten bei geringen Windgeschwindigkeiten, haben aber einen geringen Wirkungsgrad. Daher sind sie recht selten und werden in der Regel in Heimsystemen eingesetzt. Gleichzeitig können sie im Gegensatz zu horizontalen Winden in jeder Windrichtung arbeiten, ohne ihre Position zu verändern. Die Anlage selbst überwacht „wo der Wind weht“ und benötigt daher keine zusätzlichen Geräte. Rotationswindkraftanlagen sind langsamdrehende Anlagen, die den Einsatz einfacher Stromkreise, insbesondere Asynchrongeneratoren, zur Energiegewinnung ermöglichen. Gleichzeitig schränkt die niedrige Drehzahl den Einsatz vertikaler Windkraftanlagen ein, da sie den Einsatz von Übersetzungsgetrieben – Multiplikatoren – erzwingt, die einen sehr geringen Wirkungsgrad haben. Ohne einen Multiplikator ist der Betrieb einer solchen Anlage problematisch.
Abhängigkeiten des Windkraftnutzungsgrades ξ, und Geschwindigkeit Z für verschiedene Arten von Windrädern sind in Abb. 3 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass zwei- und dreiflügelige Räder mit horizontaler Rotationsachse den höchsten Wert von E aufweisen. Hoch für sie ξ wird über einen weiten Bereich der Geschwindigkeit Z aufrechterhalten. Letzteres ist wichtig, da Windkraftanlagen mit Windgeschwindigkeiten betrieben werden müssen, die über einen weiten Bereich variieren. Aus diesem Grund haben sich Installationen dieser Art in den letzten Jahren am weitesten verbreitet.
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