Windkraftanlagentypen HAWT, VAWT und mehr erklärt
Die überwiegende Mehrheit von Windkraftanlagen Die Windkraftanlagen, die man überall auf dem Land sieht (sowohl an Land als auch vor der Küste), sind standardmäßige 3-Blatt-Konstruktionen. Es gibt jedoch eine Reihe unterschiedlicher Turbinentypen und die Art und Weise, wie sie die kinetische Energie des Windes nutzen, ist recht unterschiedlich.
Die zwei Haupttypen von Windturbinen sind Horizontal- und Vertikalachsen. Windkraftanlagen mit horizontaler Achse haben eine horizontal ausgerichtete Drehachse. Sie haben normalerweise drei Rotorblätter und sind so konstruiert, dass sie dem Wind zugewandt sind. Bei Windturbinen mit vertikaler Achse ist die Drehachse vertikal ausgerichtet und sie sind so konstruiert, dass sie kinetische Energie in die entgegengesetzte Richtung nutzen.
Außer Windturbinen mit horizontaler und vertikaler Achse gibt es noch weitere Varianten dieser Turbine, die eine Erkundung wert sind.
Der am weitesten verbreitete Typ einer Windturbine ist die „Horizontalachsen-Windturbine“. Sie wird als Horizontalachse bezeichnet, da die Drehachse horizontal liegt (siehe Diagramm unten).
Die Windturbinen mit horizontaler Achse müssen direkt in den Wind zeigen, um mit maximaler Effizienz zu arbeiten, und der gesamte Kopf ist so konstruiert, dass er sich dem Wind zuwendet. Wenn der Wind die Richtung ändert, muss sich der Kopf drehen (oder „gieren“), um in den Wind zu zeigen.
Horizontalachsige Windturbinen werden für Offshore-Windparks und Onshore-Windparks gewählt, wo das Gelände weitgehend flach und offen ist, da sie in Gebieten mit nicht turbulenten Winden effizienter arbeiten als vertikalachsige Turbinen.
Auf Größe ausgelegt
Obwohl es für energiebewusste Eigenheimbesitzer viele kleine Windturbinen mit horizontaler Achse im Handel gibt, besteht einer ihrer großen Vorteile darin, dass sie sich gut skalieren lassen und SEHR GROSS gebaut werden können. Dies ist ein weiterer Grund, warum sie für Windparks verwendet werden. Es ist viel kostengünstiger, eine 10-Megawatt-Turbine (MW) zu bauen und zu betreiben als fünf 2-MW-Turbinen.
Die größte Windkraftanlage der Welt (Stand Sommer 2021) ist die Vestas V236-Turbine mit einer Nennleistung von 15 Megawatt (MW). Sie hat einen Rotorblattdurchmesser von 236 m – mehr als doppelt so hoch wie die Freiheitsstatue! Eine einzige Drehung ihrer Rotorblätter liefert genug Strom, um einen durchschnittlichen Haushalt einen Tag lang zu versorgen.
Vertikalachsen-Windkraftanlagen
Eine weniger effiziente und weniger verbreitete Turbine ist die „Windturbine mit vertikaler Achse“. Sie wird als Vertikalachse bezeichnet, da die rotierende Achse vertikal nach oben ausgerichtet ist.
Es ist nicht möglich, Turbinen mit vertikaler Achse in den großen Dimensionen zu bauen, die wir in Windparks mit horizontalen Turbinen sehen. Die größte jemals gebaute Windturbine mit vertikaler Achse war die 110 m hohe 3.8-MW-Turbine „ÉOLE“ in Quebec, Kanada. Das Rotorlager versagte jedoch 1993 unter dem Gewicht von 880 Tonnen, das es tragen musste. Seitdem ist es nicht mehr betriebsbereit und ist jetzt eine Kuriosität für Touristen. Es ist höchst unwahrscheinlich, dass jemand versuchen wird, eine größere Turbine mit vertikaler Achse zu bauen, da die technischen Probleme, die mit der direkten Unterstützung solch schwerer Gewichte auf einem einzigen Lager verbunden sind, zu groß sind.
Gebaut für Flexibilität
Obwohl sie kleiner sind, haben Windturbinen mit vertikaler Achse gegenüber Windturbinen mit horizontaler Achse den Hauptvorteil, dass sie nicht gieren müssen. Sie sammeln ständig Windenergie aus allen Richtungen. Aufgrund der Konstruktion der Rotorblätter drehen sie sich immer in die gleiche Richtung, egal woher der Wind kommt.
Dadurch können Windturbinen mit vertikaler Achse die Windenergie auf Stadtdächern und in bebauten Gebieten, wo turbulente Winde ständig ihre Richtung ändern, besser einfangen.
Windkraftanlagen mit vertikaler Achse benötigen weniger Platz als eine Horizontalturbine gleicher Leistung und werden oft für Bereiche gewählt, in denen der Platz begrenzt ist.
Verschiedene Arten von VAWTs
Es gibt zwei Hauptkonstruktionen von Windturbinen mit vertikaler Achse, Savonius und Darrieus. Diese Konstruktionen unterscheiden sich stark in der Art und Weise, wie sie die Windenergie einfangen.
Savonius VAWTs
Vertikalachsige Windturbinen vom Typ Savonius nutzen das Prinzip des Luftwiderstands, um Windenergie in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln. Sie funktionieren wie eine Schaufel, die so geformt ist, dass sie den in die Turbine eintretenden Wind einfängt, Luftwiderstand erzeugt und sie so zum Rotieren zwingt (siehe Diagramm unten). Egal aus welcher Richtung der Wind kommt, er trifft immer sowohl die Vorder- als auch die Rückseite der Schaufel – aber die abgerundete Rückseite der Schaufel erzeugt weniger Luftwiderstand und ermöglicht so die Rotation der Turbine. Dies bedeutet jedoch, dass eine vertikale Savonius-Windturbine bestenfalls 15 % der Windenergie in mechanische Rotationsenergie umwandeln kann.
Darrieus VAWTs
Darrieus-Vertikalachsen-Windturbinen nutzen das Prinzip des Auftriebs, um Windenergie in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln, und sind effizienter als Savonius-Vertikalachsen-Windturbinen. Darrieus-Vertikalachsen-Windturbinen verwenden Rotorblätter, deren Querschnitt wie die Flügel eines Flugzeugs geformt ist. Wenn der Wind über die Rotorblätter streicht, erzeugt der Tragflächeneffekt Auftrieb, und dieser sorgt für die Drehung der Turbine (siehe Diagramm unten).
Die Tragflächenblätter einer Darrieus-Turbine können entweder gerade, gebogen oder spiralförmig sein (siehe Diagramm unten).
Dabei handelt es sich um Darrieus-Turbinen – die Rotorblätter bestehen alle aus den gleichen Auftrieb erzeugenden Tragflächen, allerdings in unterschiedlicher Konfiguration.
Die spiralförmige Konfiguration ist vielleicht die interessanteste, da sie es ermöglicht, ein längeres Tragflächenblatt im gleichen Rotationsbereich unterzubringen wie eine Turbine mit geraden Blättern. Dadurch wird mehr Wind eingefangen und die Effizienz erhöht.
Andere Turbinendesigns
Während die Mehrheit der Windturbinen in diese beiden Hauptkategorien (vertikale und horizontale Achse) fällt, gab es verschiedene experimentelle Designs, die von der normalen Konfiguration dieser beiden Designs abweichen.
Der Windbaum
Der „Wind Tree“, der von der in Paris ansässigen Firma New World Wind gebaut wurde, basiert auf einer Savonius-Windturbine mit vertikaler Achse. Das Neue daran ist, dass er viele kleine Turbinen verwendet, die so angeordnet sind, dass sie wie Blätter an einem Baum aussehen und so ein dekoratives städtisches Element darstellen.
Vortex Bladeless
Vortex Bladeless ist ein spanisches Unternehmen, das eine völlig andere Methode zur Gewinnung kinetischer Energie aus dem Wind verwendet. Ihre „Turbine“ sieht überhaupt nicht wie eine herkömmliche Turbine aus, da sie sich nicht dreht.
Das Vortex Bladeless-System verwendet einen hohen, säulenförmigen Mast, der mithilfe einer Technik namens Wirbelresonanz Energie aus dem Wind gewinnt. Wenn der Wind an der Säule vorbeiströmt, entstehen dahinter Turbulenzen, die die Säule zum Schwingen oder „Vibrieren“ bringen. Diese mechanische Energie treibt einen Lineargenerator an und erzeugt so elektrischen Strom.
Da diese Art von Windgenerator keine rotierenden Rotorblätter besitzt, stellt er keine Gefahr für Zugvögel oder andere Wildtiere dar.
Fahrzeugbetriebene Turbinen
Eine Reihe von Unternehmen hat mit der Entwicklung kleiner Windturbinen mit vertikaler Achse begonnen, die auf dem Mittelstreifen von Autobahnen und Schnellstraßen aufgestellt werden können. Statt durch „natürlichen“ Wind angetrieben zu werden, sind es die Turbulenzen, die durch den konstanten Strom vorbeifahrender Fahrzeuge mit hoher Geschwindigkeit entstehen und diese Turbinen drehen. Es handelt sich also immer noch um herkömmliche Windturbinen mit vertikaler Achse, aber die Situation, in der sie eingesetzt werden, ist neuartig.
Querachsen-Windkraftanlage (CAWT)
Die Querachsen-Windturbine ist ein experimentelles Design einer Vertikalachsen-Turbine, die sowohl horizontale als auch vertikale Turbinenblätter in einer neuartigen, vernetzten Konfiguration verwendet. Mit drei vertikalen und sechs horizontalen Blättern kann sie Windenergie sowohl aus horizontaler als auch aus vertikaler Richtung einfangen. Studien haben ergeben, dass sie bei gleichen Windbedingungen 2.5-mal effizienter ist als eine herkömmliche Vertikalachsen-Turbine.
Kühlturm-Aufwindturbine
Dieser Entwurf schlägt eine neuartige Konfiguration einer Darrieus-Windturbine mit vertikaler Achse vor, die horizontal ausgerichtet und an der Spitze von Kühltürmen angebracht ist. Der Aufwind des Abluftstroms aus dem Turm wird zum Antrieb der Turbine genutzt, anstatt in die Atmosphäre zu entweichen.