Traditionelle Windturbinen sind großartig - solange der Wind mit einer bestimmten Geschwindigkeit weht. Jetzt haben Wissenschaftler mit Inspiration von Insekten und einigen cleveren Ingenieuren ein neues Turbinenblatt entwickelt, das 35 Prozent effizienter ist als herkömmliche Turbinen. Die aufkommende Technologiekönnte die Windtechnologien revolutionieren und sie an Orten nutzbar machen, an denen die Windgeschwindigkeiten nicht optimal sind.
[Bildquelle : André Karwath über Wikimedia Creative Commons ]
Turbinenschaufeln
Die Prinzipien von Windkraftanlagen sind relativ einfach. Der gesamte Betrieb ist fast das Gegenteil eines Lüfters. Anstatt Elektrizität zur Erzeugung einer Brise zu verwenden, nutzen massive Blätter die Energie des Windes, um eine Turbine zu drehen, die Elektrizität erzeugt.
Der Wirkungsgrad der Klinge hängt davon ab, wie viel Energie dem Wind entzogen werden kann. Es ist jedoch nicht die effizienteste Methode, die Klingen so schnell wie möglich drehen zu lassen. Die Klingen sind so abgewinkelt, dass gerade genug Wind umgewandelt wirdEnergie in mechanische Energie umwandeln. Zu einem bestimmten Zeitpunkt verringert die Entnahme von zu viel Energie aus dem Wind den Wirkungsgrad der Turbine Der theoretische maximale Wirkungsgrad .Wenn mehr Energie entnommen wird, beginnen die Klingen als Wand zu wirken.Wenn die gesamte Energie verbraucht ist, hat der Wind eine Geschwindigkeit von Null und verlässt das System mit Null Energie.
Der Winkel der Blätter ist so ausgelegt, dass sich die Blätter mit einer optimalen Geschwindigkeit drehen. Die Blätter können jedoch die Geschwindigkeit nur über einen bestimmten Windbereich halten. In der Regel sind die Blätter so konstruiert, dass sie der gängigsten Windgeschwindigkeit einer Region entsprechenWenn der Wind zu schnell oder zu langsam weht, kann die Energieabgabe der Turbine leider erheblich beeinträchtigt werden.
Schaffung einer effizienteren Windkraftanlage
Das Erstellen einer effizienteren Turbine ist eine schwierige Aufgabe. Derzeit gibt es einige Turbinenschaufeln, die ihren Anstellwinkel ändern können. Die Technologie mit variabler Steigung ermöglicht es der Turbine, den Anstellwinkel der Schaufeln autonom zu ändern, um den Wirkungsgrad zu maximieren.Während das System Windturbinen ermöglicht, mit einem größeren Bereich von Windgeschwindigkeiten zu arbeiten, ist es dennoch durch eine solide Struktur eingeschränkt.
Um die maximale Leistung zu erzielen, muss der Wind die Blätter in einem präzisen "Nickwinkel" treffen, um Wenden Sie genau das richtige Drehmoment auf einen Generator an.
Mit Insektenflügeln vorwärts treiben
Insektenflügel haben nicht die gleichen Probleme wie Windkraftanlagen. Anstelle fester Strukturen haben Insektenflügel flexible Flügel, mit denen sie die Luft lenken können. aerodynamische Belastung in Flugrichtung erhöht ihre Kraft. Die natürliche Fähigkeit ihrer Flügel, sich weiter zu biegen, verringert den Luftwiderstand und die Ermüdung weiter.
Ein Forscherteam beschloss zu testen, wie viel effizienter eine flexible Schaufel sein kann. Das Experiment umfasste drei separate Schaufelsysteme: eine starre, halbflexible und sehr flexible Struktur. Jede Turbine hatte drei Rotoren, aber die beiden flexiblenRotoren bestanden aus a biegsames Material namens Polyethylenterephthalat während der starre Rotor aus a konstruiert wurde steifes Kunstharz .
Eine Reihe von Windkanaltests ergab, dass die flexibelsten Blätter im Vergleich zum steifen Gegenstück viel weniger Leistung erzeugten. Die halbflexiblen Blätter produzierten jedoch 35 Prozent mehr Leistung als das solide Design. Die Blätter erwiesen sich auch bei einem größeren Bereich von Windbedingungen als effizienter.
Was macht flexible Klingen so viel besser?
Genau wie bei einer herkömmlichen Turbine drehen sich die Blätter umso schneller, je schneller der Wind weht. Da der Rotor jedoch flexibel ist, biegt der Wind die Blätter.
Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten ändern die Steigung unterschiedlich. Höhere Geschwindigkeiten bewirken, dass sich die Blätter stärker neigen und mehr Wind durchlässt. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten können sich die Blätter abflachen, um so viel Energie wie möglich zu gewinnen. Infolgedessen ist der Rotor vieleffizienter als ein starres Design.
Herausforderungen zu bewältigen
Eines der größten Probleme bei Windkraftanlagen ist die Erzeugung eines Rotors, der den Umwelt- und mechanischen Belastungen standhält. Um eine praktikable Alternative zu sein, muss das Blatt mindestens so langlebig sein wie die aktuellen Kohlefaserblätter. Außerdem müssen die Blätter wiegeneine ähnliche Menge, um die Spannungen weiter zu reduzieren und in aktuelle Strukturen eingebaut zu werden, ohne dass eine Verstärkung erforderlich ist.
Die Technologie hat noch einen Weg vor sich. Sie ist jedoch ein Schritt in die richtige Richtung, um ein nachhaltiges Mittel zur Energieerzeugung zu erreichen. Der nächste Schritt wird darin bestehen, ein umfassendes Experiment zu entwerfen, um die Lebensfähigkeit von Insekten vollständig zu bestimmen.inspirierte Windkraftanlagen.
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Geschrieben von Maverick Baker