Müssen Windkraftanlagen Rotorblätter haben? NEIN! Mein Weltbild wurde aufgefrischt

Schlagflügel-Windkraftanlage | Youtube/ TYER WIND

Dieses süße kleine Kaninchen kann tatsächlich Strom erzeugen? Das stimmt! Während es seine „Flügel“ im Wind schlägt, gibt es kontinuierlich Strom ab.

Wenn Sie an „Windkraftanlage“ denken, kommt Ihnen dann sofort eine „große weiße Windmühle mit drei Flügeln“ in den Sinn?

Mainstream-Windturbine mit drei Blättern | Giphy

Neben dieser klassischen Form gibt es bei echten Windrädern auch eine Vielzahl zauberhafter Formen.

Warum drei Klingen?

Als „Vorläufer“ der Windkraftanlagen spielen Windmühlen eine große Rolle bei der Entwässerung der Niederlande und sind daher auf der ganzen Welt berühmt. Auch das Bild der vierflügeligen Holländer-Windmühle ist tief in den Herzen der Menschen verankert.

Windmühle | Pixabay

Auch mehrflügelige Windmühlen zur Wasserförderung waren einst im amerikanischen Westen beliebt. Durch mehrere Rotorblätter kann das gesamte Windrad mehr Leistung erzeugen und ausreichend Strom liefern.

Mehrflügelige Windmühle | Pixabay

Windmühlen mit vier oder sogar mehr Blättern gibt es bereits. Warum sind sie dann zu Windturbinen mit drei Blättern geworden?

Die Anzahl der Rotorblätter hat keinen direkten Einfluss auf den Energienutzungsgrad . Im Gegenteil: Zu viele Rotorblätter beeinträchtigen den Luftstrom und verringern die Auslastung der Windenergie. Anlagen zur Windenergienutzung können höchstens 59,3 % der kinetischen Energie des Windes erfassen und nutzen. Dies bedeutet, dass eine Windkraftanlage mit nur einem Rotorblatt die gleiche Menge Strom erzeugen kann.

Einflügelige Windkraftanlage | Youtube/Audun

Allerdings haben sich Windturbinen mit Einzelblättern nicht durchgesetzt. Bereits ein einzelnes Rotorblatt kann den Windrotor extrem aus dem Gleichgewicht bringen und so die Sicherheit der gesamten Windkraftanlage ernsthaft gefährden. Stellen Sie sich einen Haufen Wäschestücke vor, die beim Trockenschleudern ineinander verheddert sind ... die ganze Waschmaschine vibriert heftig oder funktioniert sogar nicht mehr.

Eine Waschmaschine dreht sich wie verrückt | Giphy

Zwei symmetrische Klingen können diesen unausgeglichenen Kraftzustand verbessern, sind aber immer noch nicht stabil genug. Bis eine optimalere Lastregelungstechnologie verfügbar ist, wird die Anwendung von Windturbinen mit zwei Rotorblättern noch begrenzt sein.

Schematische Darstellung einer Zweiblatt-Windkraftanlage | Youtube/DOB-Academy Studio

Die Windturbine mit drei Blättern löst das Gleichgewichtsproblem aufgrund ihrer optimalen Anordnung, ihr „Gewicht“ ist jedoch auch zu einem ihrer „Problempunkte“ geworden. Ein einzelnes Rotorblatt einer Windkraftanlage wiegt 20 Tonnen, ein Windrotor mit drei Rotorblättern wiegt mehr als 60 Tonnen. Es ist wirklich ein schwerer Riese. Wenn es Qualitätsprobleme mit dem Fundament auf dem Boden gibt, kann die gesamte Einheit umkippen und einstürzen.

Eingestürzte Windkraftanlage | Youtube/DailyTop20s

Einige Hersteller zerlegen Windturbinen in kleinere Teile und verwandeln sie mithilfe mehrerer kleiner Rotorblätter in vierköpfige, zwölfarmige Maschinen. Im Jahr 2016 installierte der Windenergie-Marktführer Vestas an der Technischen Universität Dänemark eine Windkraftanlage mit vier Rotoren. Nach zwei Jahren stillen Betriebs wurde die Anlage komplett demontiert. Aufgrund der Knappheit des Modells sind die relevanten Daten äußerst wertvoll und die beiden Institutionen haben der Öffentlichkeit fast nie Daten zugänglich gemacht.

Vierrotor-Windkraftanlage | Energietechnik

Keine Klingen, sondern Strom

Der verrückte Wissenschaftler war nicht bereit, mittelmäßige Klingen zu akzeptieren, also schlug er eine „klingenlose“ Lösung vor. Der legendäre Elektroingenieur Nikola Tesla meldete einst ein Patent für eine schaufellose Turbine an, ließ dieses Vorhaben jedoch letztlich fallen, da es an geeigneten Fertigungsmaterialien mangelte.

Schema einer schaufellosen Tesla-Turbine | Homeconstructor.de

Basierend auf dieser Idee wurde eine blattlose Windturbine mit Spiralform entwickelt. Der Wind treibt die innere Scheibe an und erzeugt so eine Rotation, die den Generator antreibt und Strom erzeugt. Allerdings erfordert diese „Peppa Pig“-ähnliche Windturbine eine strenge Garantie für die Verarbeitungs- und Fertigungsgenauigkeit aller Komponenten und erfordert, dass der Wind auf den Lufteinlass gerichtet wird. Solche harten Bedingungen schränken seine Entwicklung ein.

Prototyp einer blattlosen Windkraftanlage | endalldisease.com

Um den Wind aus allen Richtungen nutzen zu können, hat man blattlose Windturbinen in Form einer „umgekehrten Trompete“ entwickelt. Diese in der Stadt Hengshui installierte und genutzte Windturbine kann Windenergie aus allen Richtungen einfangen und die Brise optimal nutzen. Nachdem der Luftstrom in den Innenraum gelangt ist, erhöht sich entlang des sich langsam verjüngenden Rohres die Geschwindigkeit des Luftstroms sukzessive und treibt schließlich den an der engsten Stelle des Querschnitts befindlichen Generator zur Stromerzeugung an.

Die blaue Linie zeigt eine niedrige Luftgeschwindigkeit an und die rote Linie eine hohe Luftgeschwindigkeit. Powermag

Neben der Stromerzeugung durch das „Einleiten“ von Wind in den Körper sind einige Unternehmen noch einen Schritt weiter gegangen und zur einfachsten Säulenstruktur zurückgekehrt und haben den „Ruyi Jingu Bang“ auf den Markt gebracht – den blattlosen Wirbeloszillator (Vortex Bladeless).

Vortexbladeless

Dabei wird das Phänomen der „Karmanschen Wirbelstraße“ ausgenutzt: Wenn Luft hindurchströmt, entsteht ein „Wirbel“, der die Säule zu Hin- und Herschwingungen anregt. Einfach ausgedrückt: Wenn die Säule geschüttelt wird, wird Strom erzeugt. Allerdings ist die Effizienz dieses Modells äußerst begrenzt und langfristige Vibrationen verstärken den Verschleiß des Materials , so dass es derzeit keinen kommerziellen Anwendungswert hat.

Prinzip des blattlosen Wirbelvibrators | Vortexbladeless

Eine weitere blattlose Windkraftanlage, die Saphonian Bladeless, basiert ebenfalls auf dem „Wirbelablösungseffekt“. Im Vergleich zur Windkraftanlage „Goldener Knüppel“ verfügt die „Safinia“ über eine bewegliche Scheibe und ein auf der Oberseite angebrachtes Heckruder (eine aufrecht stehende trapezförmige Platte).

"Safnia" | endalldisease.com

Vertikale Windkraftanlagen werden voraussichtlich in Zukunft

Im Jahr 2016 wurde in der Nähe des isländischen Nationalen Musikzentrums ein windbetriebener Busbahnhof in Betrieb genommen. Die seltsam geformte Windturbine mit vertikaler Achse über dem Busbahnhof liefert Strom für Beleuchtung und elektronische Produkte. Dieses Gerät kann sich nicht nur an Umgebungen mit geringer Windgeschwindigkeit (2 Meter/Sekunde) anpassen, sondern auch bei kaltem Wind auf Orkanniveau (über 50 Meter/Sekunde) normal funktionieren.

Vertikalachsen-Windkraftanlage in Island | Designboom

Die Rotationsachse einer Windkraftanlage mit vertikaler Achse verläuft senkrecht zur Richtung des Luftstroms und steht im Allgemeinen senkrecht zum Boden. Herkömmliche Windturbinen mit horizontaler Achse müssen starken Winden standhalten, während Windturbinen mit vertikaler Achse Wind aus jeder Richtung vertragen.

Auch die strukturelle Tragfähigkeit des Vertikalachsengenerators wurde erheblich verbessert, sodass er stärkeren Windstärken standhalten kann. Diese Eigenschaften erwecken Generatoren mit vertikaler Achse in den weiten Ozeanen zum Leben.

Schwimmende V-förmige Windturbine mit vertikaler Achse | theguardian.com

Eine neue Art von Windkraftanlage mit einer umwerfenden Idee

„EWICON“, entworfen von niederländischen Architekten, ist ein statisches Netz. Im rechteckigen Außennetz des Stahlrahmens sind mehrere horizontale Isolierrohre untergebracht. Auf jedem Isolierrohr sind Düsen dicht angeordnet. Elektroden erzeugen geladenen Wassernebel. Der Wind verwirbelt den Wassernebel und erzeugt elektrischen Strom, wodurch Elektrizität erzeugt wird.

Windkraftanlage „Avicon“ | WunderbaresEngineering

Im Film „Baymax – Riesiges Robowabohu“ schweben viele Motorbootgeneratoren am Himmel, um die Stadt mit Strom zu versorgen. Tatsächlich wurde diese Technologie im wirklichen Leben umgesetzt. Die durchschnittliche Windgeschwindigkeit in großen Höhen ist viel höher als an der Oberfläche und die Windgeschwindigkeitsschwankungen sind stabiler. Viele Unternehmen haben ihre Aufmerksamkeit auf die Windkraft in großen Höhen gerichtet, die ein enormes Wertpotenzial bietet, und haben kommerzialisierte „Motorbootgeneratoren“ hergestellt.

Luftwindkraftanlage in „Baymax – Riesiges Robowabohu“ | Screenshot

Echte Höhengeneratoren | allesaufblasbare

Um die Gesamtkonstruktion leichter zu gestalten, entstand die „Drachen-Windturbine“.

Drachenwindkraftanlage für große Höhen | Hazebird

Obwohl diese bahnbrechenden Windturbinen schön aussehen, stellt die effiziente und stabile Stromübertragung noch immer ein großes Problem dar, das ihre Anwendung im größeren Maßstab verhindert.

Heute wird die ausgereifte Technologie für Dreiblatt-Windturbinen in großem Maßstab eingesetzt, doch die Wissenschaftler erforschen immer noch neue Generatortypen. Die bizarren Formen sind nur oberflächliche Erscheinungen; Die unendliche Annäherung an die Grenzen der Windenergienutzung ist das ewige Ziel der Windenergieforschung. In diesen ultimativen Bestrebungen hinter der künstlerischen Fassade liegt genau die Romantik der Wissenschaftler.

Verweise

[1]Im Wind wackelnd: ein flügelloses A... - Informationszentrum - Forschung & Innovation - Europäische Kommission (europa.eu)

[2] Offizielle Website von VortexBladeless. https://vortexbladeless.com/

[3]Keine Klingen! Eine mastförmige Windturbine, Vortex Bladeless, erzeugt Strom durch Schütteln. https://www.bridgestone.com/

[4]Invelox-Windturbine, funktioniert sie? - betterworldsolutions.eu

[5]Alphabet baut Energiedrachen-Sparte ab – The Verge

[6]Watson, S., Moro, A., Reis, V., Baniotopoulos, C., Barth, S., Bartoli, G., ... & Croce, A. (2019). Zukünftige Technologien im Windkraftsektor: Eine europäische Perspektive. Bewertungen zu erneuerbarer und nachhaltiger Energie, 113, 109270.

[7] Der Bau der Hengshui INVELOX-Windturbine in Jingxian Guangchuan hat begonnen

http://jingxian.hebei.com.cn/system/2016/07/18/011052501.shtml

Planung und Produktion

Quelle: Guokr (ID: Guokr42)

Autor: Cheng Mingchen

Herausgeber: He Tong

Korrekturgelesen von Xu Lai und Lin Lin

Das Titelbild und die Bilder in diesem Artikel stammen aus der Copyright-Bibliothek

Nachdruck kann zu Urheberrechtsstreitigkeiten führen