Warum müssen Windkraftanlagen drei Rotorblätter haben? Dies hängt mit der Effizienz der Windenergieumwandlung zusammen

Elektrische Ventilatoren im alten Stil bestehen aus drei Flügeln.

Vor ein paar Tagen ist der alte elektrische Ventilator zu Hause endgültig kaputt gegangen, also haben wir einen neuen gekauft. Dieser Ventilator verfügt nicht mehr wie herkömmliche elektrische Ventilatoren über nur drei Flügel, sondern ist aus vielen kleinen Flügeln zusammengesetzt. Dieses Design sieht tatsächlich viel besser aus als herkömmliche elektrische Ventilatoren. Gleichzeitig brachte mich dies auch auf eine andere Frage, nämlich, dass Windkraftanlagen zur Stromerzeugung aus Windkraft ausnahmslos aus drei Rotorblättern bestehen. Warum ist das so? Energie kann nicht aus dem Nichts erzeugt werden, daher entsteht auch bei der Windkrafterzeugung kein Strom aus dem Nichts. Es wandelt einfach Energie um, indem es Windenergie in elektrische Energie umwandelt. Da es sich um eine Energieumwandlung handelt, ist zwangsläufig ein Problem mit der Umwandlungseffizienz verbunden. Die Umwandlungsrate von Windenergie hängt eng mit zwei Faktoren zusammen: Windstärke und Windgeschwindigkeit.

Die Umwandlungsleistung von Windenergie entspricht der Windstärke multipliziert mit der Windgeschwindigkeit.

Nehmen wir nun an, dass unsere Windkraftanlage über so viele Rotorblätter verfügt, dass diese eine luftdichte Scheibe bilden. Wie hoch ist derzeit der Wirkungsgrad der Windenergieumwandlung? Im Grunde null. Denn wenn die Windturbine zu einer luftdichten Scheibe wird, kann die auf die Scheibe wirkende Windkraft zwar das Maximum erreichen, jedoch kann kein Wind durch die Scheibe hindurchgehen und nur um die Scheibe herum strömen, sodass die auf die Scheibe wirkende Windgeschwindigkeit Null ist. Jede Zahl multipliziert mit Null ergibt Null. Selbst bei starkem Wind ist die Umrechnung ohne Windgeschwindigkeit also nicht möglich. Man erkennt, dass zur Umwandlung von Windenergie in elektrische Energie die Anzahl der Rotorblätter reduziert werden muss, damit der Wind schnell vorbeiziehen kann. Mit abnehmender Rotorblattzahl nimmt die Windgeschwindigkeit allmählich zu und die auf sie einwirkende Windkraft allmählich ab. Um eine maximale Umwandlungsleistung zu erreichen, muss ein Gleichgewichtspunkt gefunden werden.

Nun denken Sie sicher, dass dies daran liegen muss, dass bei drei Rotorblättern die Effizienz der Windenergieumwandlung am höchsten ist, da alle Windturbinen drei Rotorblätter haben. Dies ist nicht wirklich der Fall.

Tatsächlich zeigen Berechnungen, dass die Effizienz der Windenergieumwandlung am höchsten ist, wenn vier Rotorblätter verwendet werden. Wenn das der Fall ist, warum haben Windkraftanlagen dann drei statt vier Rotorblätter? Wenn wir auf ein Problem stoßen und die Antwort nicht in wissenschaftlichen Prinzipien finden können, dann muss die Antwort mit einem anderen Faktor zusammenhängen, nämlich Geld. Ein Windmotor ist kein elektrischer Ventilator. Da es im Betrieb enormen Kräften und Biegemomenten standhalten muss, müssen die verwendeten Materialien sehr robust sein. Bei den Rotorblättern moderner großer Windkraftanlagen werden üblicherweise Stahlrohre oder D-förmiger Stahl als Längsträger und Stahlplatten als Querträger verwendet. Die Innenseite ist mit Schaumstoffplatten gefüllt und die Außenseite mit einer Fiberglashaut verkleidet.

Rotorblätter für Windkraftanlagen sind teuer, das Hinzufügen eines weiteren Rotorblatts erhöht die Kosten also erheblich.

In den Köpfen vieler Menschen ist die Stromerzeugung durch Windenergie kostenlos. Schließlich ist Wind kostenlos und Sie können ihn auch nutzen. Tatsächlich müssen jedoch auch die Kosten der Windenergieerzeugung berechnet werden, die sowohl die Herstellungskosten des Windmotors als auch die Wartungskosten während des Betriebs umfassen. Da die Kosten mit einer weiteren Klinge deutlich steigen, müssen wir natürlich durchrechnen, ob sich das lohnt. Das Ergebnis ist offensichtlich nicht gerechtfertigt, daher sind drei Rotorblätter zur Standardkonfiguration von Windkraftanlagen geworden. Drei Rotorblätter sind ein Hauptmerkmal von Windkraftanlagen. Darüber hinaus verfügen Windkraftanlagen über eine weitere Eigenschaft: Sie sind „langsam“. Unabhängig vom Standort und der Windstärke ist die Rotationsgeschwindigkeit von Windkraftanlagen stets gering. Warum ist das so?

Im Allgemeinen dreht sich eine Windkraftanlage mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 bis 12 Umdrehungen pro Minute. Der gesunde Menschenverstand legt nahe, dass bei dieser Geschwindigkeit kein Strom erzeugt werden kann, und das ist tatsächlich der Fall.

Damit eine Windkraftanlage Strom erzeugen kann, muss im Inneren ein Getriebe eingebaut werden, das ihre Drehzahl erhöht. Durch die Drehzahländerung des Getriebemechanismus kann die interne Drehzahl des Windmotors in der Regel über 1500 Umdrehungen pro Minute erreichen, was eine deutliche Verbesserung darstellt. Nun stellt sich die Frage: Wenn eine hohe Geschwindigkeit erforderlich ist, warum lässt man die Rotorblätter der Windturbine nicht einfach schneller rotieren? Warum einen Getriebemechanismus für den sekundären Geschwindigkeitswechsel verwenden? Je schneller es rotiert, desto höher sind die Anforderungen an die Festigkeit der Blätter. Ein Grund für die Begrenzung der Geschwindigkeit ist daher die Vermeidung von Schäden, aber das ist nicht der Hauptgrund.

Der Wirkungsgrad der Windenergieumwandlung hängt von der auf die Windturbine wirkenden Windkraft und der Geschwindigkeit des durch die Windturbine strömenden Windes ab. Windkraft und Windgeschwindigkeit stehen in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Rotorblätter. Allerdings muss die hier genannte „Klingenanzahl“ aus sportlicher Sicht betrachtet werden.

Obwohl eine Windkraftanlage nur über drei Rotorblätter verfügt, kann der tatsächliche Effekt bei einer Erhöhung der Rotationsgeschwindigkeit dem von mehreren Rotorblättern entsprechen. Wenn sich die Windturbine beispielsweise sehr schnell dreht, wird sie zu einer Scheibe, die den Wind vollständig blockieren kann. Zu diesem Zeitpunkt ist die Windgeschwindigkeit Null und Windenergie kann nicht in elektrische Energie umgewandelt werden. Man sieht, dass es nicht ausreicht, nur drei Rotorblätter an der Windkraftanlage anzubringen. Außerdem muss sichergestellt werden, dass beim Rotationsvorgang die tatsächliche Wirkung immer der Wirkung von drei Blättern entspricht und nicht durch eine zu schnelle Rotation vier, fünf oder mehr Blätter entstehen.

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