Menschen nutzen seit Jahrhunderten Windkraft. Von Segelbooten bis zu Windmühlen war der Wind in der gesamten Menschheitsgeschichte eine wichtige Energiequelle.
In den letzten Jahren hat die Windenergie als an Popularität gewonnen. effiziente, nachhaltige Alternative zu fossilen Brennstoffen. Windparks haben begonnen, Küsten und Berggipfel auf der ganzen Welt zu punktieren, und inzwischen haben Sie wahrscheinlich ihr unterschiedliches Design bemerkt.
Warum haben Windkraftanlagen drei Schaufeln im Gegensatz zu weniger oder mehr? Die Antwort liegt in der Technik hinter der Windkraft und in der Maximierung der Energieerträge. Um die höchsten Strommengen effizient zu produzieren, gibt es vielberücksichtigen.
Wie funktionieren Windkraftanlagen?: Eine Geschichte der Windenergie und der Wissenschaft dahinter
Strom erzeugende Windkraftanlagen sind älter als manche denken. Die erste solche Turbine wurde in erfunden. 1888 von Charles F. Brush. Es hatte bemerkenswerte 144 Holzklingen und konnte 12 Kilowatt Leistung erzeugen.
Bis Mitte der 1930er Jahre waren viele ländliche Wohnhäuser in Amerika auf Windkraft als einzige Stromquelle angewiesen. Turbinen waren eine zugängliche und kostengünstige Möglichkeit, entfernte Standorte mit Strom zu versorgen, die ansonsten nicht von Hauptstromleitungen versorgt wurden.
Nach dem Ausbau der Stromleitungen in den Vereinigten Staaten sind ländliche Windkraftanlagen praktisch ausgestorben und Windkraft gehört der Vergangenheit an. Erst in den letzten Jahrzehnten hat das Interesse an Windkraft als billige Alternative zu anderen wieder zugenommenFormen der Energieerzeugung.
Die Prinzipien hinter der Erzeugung von Windkraft sind heute so einfach wie im 19. Jahrhundert. Wind ist einfach Luft in Bewegung, und wo Bewegung ist, ist kinetische Energie.
Windkraftanlagen sind so konstruiert, dass sie ein Hindernis für diese kinetische Energie darstellen, sie verlangsamen und in elektrische Energie umwandeln. Dieses Hindernis besteht aus den Schaufeln der Turbinen, die speziell für die Erzielung der höchsten Energiemenge ausgelegt sind.
jedoch die Design und die Verwendung von Turbinenschaufeln ist eine heikle Wissenschaft, die sich auf eine Reihe von Faktoren wie Aerodynamik und Luftwiderstand stützt.
Entwerfen von Turbinenschaufeln: Geschwindigkeit, Aerodynamik und Schallgeschwindigkeit
Bei der Konstruktion von Schaufeln für eine Windkraftanlage spielen eine Reihe von Faktoren eine Rolle. Der vielleicht wichtigste Faktor ist Aerodynamik .
Aerodynamik bezieht sich auf die Eigenschaften eines festen Objekts und die Luft um dieses herum interagiert mit diesem. In diesem Sinne sind die Schaufeln einer Windkraftanlage ähnlich wie die Flügel eines Flugzeugs konstruiert.
Die Rückseite der Klinge ist stärker gekrümmt als die Vorderseite, genauso wie sich der Flügel eines Flugzeugs am Ende nach oben krümmt. Diese unterschiedliche Form verursacht einen Druckunterschied, wenn sich die Luft über die Klinge bewegt, wodurch sich die Klingen bewegen.
Aufgrund der Verstopfung der Schaufel bewegt sich Luft hinter der Schaufel mit einer schnelleren Geschwindigkeit als vor ihr. Dies setzt die Rotation der Schaufeln in Bewegung und beginnt den Prozess der Stromerzeugung.
Es reicht jedoch nicht aus, dass die Blätter vom Wind bewegt werden. Ingenieure müssen bei der Konstruktion der Blätter Geschwindigkeit und Luftwiderstand berücksichtigen, um ein Höchstmaß an Effizienz zu gewährleisten.
Wenn beispielsweise durch die Verstopfung der Klingen zu viel Luftwiderstand erzeugt wird, ist die Leistungsausbeute viel geringer. Wenn nicht genügend Luftwiderstand erzeugt wird, können sich die Klingen zu schnell bewegen, was dazu führt, dass sie sich bewegen. Schallmauer durchbrechen .
Einer der größten Vorteile von Windkraftanlagen ist, wie leise Sie arbeiten. Wenn sie die Schallmauer durchbrechen, kann dies dazu führen, dass Anwohner in der Nähe der vorgeschlagenen Windparks eher gegen die Implementierung der Turbinen sind.
Auswahl der perfekten Anzahl von Klingen
Im Großen und Ganzen arbeiten die meisten Windkraftanlagen standardmäßig mit drei Schaufeln. Die Entscheidung, Turbinen mit drei Schaufeln zu konstruieren, war eigentlich ein Kompromiss.
Wegen des verringerten Luftwiderstands eine Klinge wäre die optimale Zahl, wenn es um die Energieausbeute geht. Ein Blatt könnte jedoch dazu führen, dass die Turbine aus dem Gleichgewicht gerät, und dies ist keine praktische Wahl für die Stabilität der Turbine.
In ähnlicher Weise würden zwei Blätter eine höhere Energieausbeute bieten als drei, würden jedoch ihre eigenen Probleme mit sich bringen. Zweiflügelige Windturbinen sind anfälliger für ein Phänomen, das als bekannt ist. Kreiselpräzession was zu einem Wackeln führt. Natürlich würde dieses Wackeln weitere Stabilitätsprobleme für die gesamte Turbine verursachen. Dies würde auch die Bestandteile der Turbine belasten, wodurch sie sich mit der Zeit abnutzen und stetig weniger effektiv werden.
Eine beliebige Anzahl von Schaufeln mit mehr als drei Schaufeln würde einen größeren Windwiderstand erzeugen, die Stromerzeugung verlangsamen und somit weniger effizient sein als eine Dreiblattturbine.
Aus diesen Gründen sind Turbinen mit drei Schaufeln der ideale Kompromiss zwischen hoher Energieausbeute und größerer Stabilität und Haltbarkeit der Turbine selbst.
Die Zukunft der Windkraftanlagen: Könnten keine Blätter besser sein als drei?
Trotz der Tatsache, dass dreiflügelige Turbinen in den letzten Jahren zum Standardmodell für die Erzeugung sauberer Energie geworden sind, heißt das nicht, dass dies immer der Fall sein wird. Die Ingenieure arbeiten immer noch an besseren und effizienteren Konstruktionen für zukünftige Bemühungen zur Energieerzeugung.
Eine der beliebtesten vorgeschlagenen Konstruktionen ist eine schaufellose Turbine. Obwohl dies dem Widerstand zu widersprechen scheint, der zur Umwandlung der Windenergie in Elektrizität erforderlich ist, bietet die Herstellung einer Turbine ohne Schaufeln tatsächlich eine Reihe von Vorteilen.
Ein Vorteil sind Kosten und Wartung. Aktuelle Turbinen sind in ihrem Betrieb einer starken Belastung ausgesetzt. Sie können bis zu zwanzig Umdrehungen pro Minute ausführen und Geschwindigkeiten von erreichen. 289 km / h was zu einer enormen Kraft führt. Zusätzlich zu der Erosion, die sie unter feindlichen Wetterbedingungen vor der Küste erleiden, ist es leicht zu verstehen, warum sich die Qualität von Turbinenschaufeln im Laufe der Zeit erheblich verschlechtert.
Unternehmen wie Vortex Bladeless haben Prototypen von schaufellosen Turbinen entwickelt, die tatsächlich gyroskopische Bewegungen zur Erzeugung von Windenergie nutzen. Die Herstellung ihres Designs könnte möglicherweise bis zu kosten. 50% weniger als herkömmliche Turbinen und würde sich im Laufe der Zeit nicht so stark verschlechtern.
Während dreiflügelige Turbinen derzeit definitiv die effektivste Lösung sind, ist dies möglicherweise nicht immer der Fall. Bis schaufellose Turbinen zur Norm werden, haben wir den Wirkungsgrad dreiflügeliger Turbinen für den überwiegenden Teil unserer Windenergie zu verdankenProduktion.