Windenergie ist eine erneuerbare und saubere Energiequelle, die den Ausstoß von Treibhausgasen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen reduzieren kann. Windkraftanlagen sind Maschinen, die die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandeln. Es gibt zwei Haupttypen von Windkraftanlagen, abhängig von der Ausrichtung ihrer Achse: horizontal und vertikal.
Eine horizontale Achse-Windkraftanlage (HAWT) wird definiert als eine Windkraftanlage, die eine horizontale oder parallele Drehachse zur Erdoberfläche hat. HAWTs sind der häufigste Typ von Windkraftanlagen, die für großflächige Stromerzeugung verwendet werden. Sie haben in der Regel drei Flügel, die Flugzeugpropellern ähneln, obwohl einige auch zwei oder einen Flügel haben können.
Die Hauptkomponenten einer HAWT sind:
Der Rotor, der aus den Flügeln und dem Hub besteht, der sie mit der Welle verbindet.
Die Gondel beherbergt den Generator, das Getriebe, die Bremse, das Yaw-System und andere mechanische und elektrische Komponenten.
Der Turm stützt die Gondel und den Rotor und hebt sie über den Boden, um mehr Wind zu fangen.
Das Fundament verankert den Turm am Boden und überträgt die Lasten von der Windkraftanlage.
Das Arbeitsprinzip einer HAWT basiert auf dem Auftrieb, der die Kraft ist, die ein Objekt nach oben drückt, wenn Luft über seine Oberfläche strömt. Die Flügel einer HAWT sind wie Tragflächen geformt, die einen Druckunterschied zwischen ihrer Ober- und Unterseite erzeugen, wenn der Wind weht. Dieser Druckunterschied bewirkt, dass sich die Flügel um die horizontale Achse drehen, was wiederum die Welle und den Generator antreibt, um Elektrizität zu erzeugen.
Die Rotorebene einer HAWT muss mit der Windrichtung ausgerichtet sein, um ihre Effizienz zu maximieren. Daher hat eine HAWT einen Windsensor und ein Yaw-System, das die Ausrichtung der Gondel entsprechend der Windrichtung anpasst. Eine HAWT hat auch ein Pitch-System, das den Anstellwinkel der Flügel ändert, um ihre Drehgeschwindigkeit und Leistung zu steuern.
Die Vorteile von HAWTs sind:
Sie haben eine höhere Effizienz als vertikale Achse-Windkraftanlagen (VAWTs), da sie mit weniger Luftwiderstand mehr Windenergie erfassen können.
Sie haben geringere Drehmomentfluktuationen und mechanischen Stress als VAWTs, da sie während jeder Umdrehung weniger Änderungen in aerodynamischen Kräften erfahren.
Sie können auf schwimmenden Plattformen oder festen Fundamenten im Offshore-Bereich installiert werden, wo die Windgeschwindigkeit höher und konsistenter ist.
Die Nachteile von HAWTs sind:
Sie erfordern einen hohen Turm und eine große Fläche, um Turbulenzen und Störungen durch nahegelegene Strukturen oder Gelände zu vermeiden.
Sie sind teurer und komplexer zu installieren und zu warten als VAWTs, da sie mehr bewegliche Teile und elektrische Komponenten haben.
Sie sind anfälliger für Ermüdung und Schäden durch starke Winde, Stürme, Blitzschläge, Vögel oder Eis.
Eine vertikale Achse-Windkraftanlage (VAWT) wird definiert als eine Windkraftanlage, die eine vertikale oder senkrechte Drehachse zur Erdoberfläche hat. VAWTs sind seltener als HAWTs, aber sie haben einige Vorteile für kleinere und urbane Anwendungen. Sie haben in der Regel zwei oder drei Flügel, die gerade oder gekrümmt sein können.
Die Hauptkomponenten einer VAWT sind:
Der Rotor, der aus den Flügeln und der vertikalen Welle besteht, die sie mit dem Generator verbindet.
Der Generator, der die mechanische Energie des Rotors in elektrische Energie umwandelt.
Die Basis, die den Rotor und den Generator stützt und sie mit dem Boden verbindet.
Das Arbeitsprinzip einer VAWT basiert auf dem Luftwiderstand, der die Kraft ist, die der Bewegung eines Objekts entgegenwirkt, wenn Luft über seine Oberfläche strömt. Die Flügel einer VAWT sind symmetrisch oder asymmetrisch, was unterschiedliche Mengen an Luftwiderstand erzeugt, wenn sie in oder gegen die Windrichtung stehen. Dieser Unterschied im Luftwiderstand bewirkt, dass sich die Flügel um die vertikale Achse drehen, was wiederum den Generator antreibt, um Elektrizität zu erzeugen.
Die Rotorebene einer VAWT muss nicht mit der Windrichtung ausgerichtet sein, da sie Wind aus jeder Richtung erfassen kann. Daher hat eine VAWT kein Yaw-System oder Windsensor. Allerdings kann eine VAWT ein Pitch-System haben, das den Anstellwinkel der Flügel ändert, um ihre Drehgeschwindigkeit und Leistung zu steuern.
Die Vorteile von VAWTs sind:
Sie haben niedrigere Installations- und Wartungskosten als HAWTs, da sie weniger bewegliche Teile und elektrische Komponenten haben.
Sie haben niedrigere Lärmepegel als HAWTs, da sie langsamer rotieren.
Sie können auf Dächern oder in der Nähe von Gebäuden installiert werden, da sie niedrigere Höhen und kleinere Grundflächen als HAWTs haben.
Die Nachteile von VAWTs sind:
Sie haben eine geringere Effizienz als HAWTs, da sie mehr Luftwiderstand und weniger Auftrieb haben.
Sie haben höhere Drehmomentfluktuationen und mechanischen Stress als HAWTs, da sie während jeder Umdrehung größere Änderungen in aerodynamischen Kräften erfahren.
Sie können nicht im Offshore-Bereich installiert werden, da sie weniger stabil und widerstandsfähig als HAWTs sind.
Es gibt zwei Haupttypen von VAWTs, abhängig von ihrem Flügel design: Darrieus und Savonius.
Darrieus-Turbinen sind VAWTs, die gekrümmte Flügel haben, die einem Eierverbecher oder einer Trochoide ähneln. Sie wurden 1931 vom französischen Ingenieur Georges Darrieus erfunden. Darrieus-Turbinen nutzen sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand, um ihre Flügel zu drehen. Sie können hohe Drehzahlen erreichen, benötigen jedoch ein externes Startmechanismus, wie einen Elektromotor oder eine andere Turbine, da sie nicht selbst starten können.
Die Vorteile von Darrieus-Turbinen sind:
Sie haben einen höheren Leistungskoeffizienten als Savonius-Turbinen, da sie sowohl Auftrieb als auch Luftwiderstand nutzen.
Sie haben ein geringeres Festigkeitsverhältnis als Savonius-Turbinen, da sie weniger Flügel mit größeren Lücken zwischen ihnen haben.
Die Nachteile von Darrieus-Turbinen sind:
Sie benötigen ein externes Startmechanismus, da sie nicht selbst starten können.
