WIE FUNKTIONIEREN WINDKRAFTANLAGEN?

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Vielleicht haben Sie sie gesehen, als Sie durch die Landschaft gefahren sind. Oder vielleicht haben Sie sie direkt vor der Küste gesehen, als sie mit ihren sich drehenden Klingen am Horizont auftauchten. Andererseits haben Sie sie möglicherweise auf dem Dach einer anderen Person oder im Rahmen eines kleinen städtischen Betriebs gesehen. Unabhängig vom Standort werden Windkraftanlagen und Windkraft in der modernen Welt immer häufiger eingesetzt.

Vieles davon hat mit der Bedrohung durch den Klimawandel, der Luftverschmutzung und dem Wunsch zu tun, die Menschheit von ihrer Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu befreien. Und wenn es um alternative und erneuerbare Energien geht, wird die Windenergie voraussichtlich in Zukunft (nach Solarenergie) den zweitgrößten Marktanteil einnehmen. Aber wie genau funktionieren Windkraftanlagen?

Beschreibung:

Luftturbinen sind Geräte, die die kinetische Energie des Windes und Änderungen des Luftstroms in elektrische Energie umwandeln. Im Allgemeinen bestehen sie aus den folgenden Komponenten: einem Rotor, einem Generator und einer strukturellen Stützkomponente (die entweder die Form eines Turms, eines Rotorgiermechanismus oder beides haben kann).

Ein Rotor besteht aus den Blättern, die die Windenergie erfassen, und einer Welle, die die Windenergie in Rotationsenergie mit niedriger Geschwindigkeit umwandelt. Der Generator, der mit der Welle verbunden ist, wandelt die langsame Drehung mithilfe einer Reihe von Magneten und eines Leiters (der normalerweise aus gewickeltem Kupferdraht besteht) in hohe Energie um.

Wenn sich die Magnete mit dem Kupferdraht drehen, erzeugt dies einen Unterschied im elektrischen Potential, wodurch Spannung und elektrischer Strom erzeugt werden. Schließlich gibt es die strukturelle Stützkomponente, die sicherstellt, dass die Turbine entweder in ausreichend hohen Höhen steht, um Änderungen des Winddrucks optimal zu erfassen, und / oder in Windströmungsrichtung zeigt.

Arten von Windkraftanlagen:

Derzeit gibt es zwei Haupttypen von Windkraftanlagen: Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT) und Vertikalachsen-Windkraftanlagen (VAWT). Wie der Name andeutet, haben horizontale Windturbinen eine Hauptrotorwelle und einen elektrischen Generator an der Spitze eines Turms, wobei die Blätter in den Wind zeigen. Die Turbine ist normalerweise gegen den Wind ihres Stützturms positioniert, da der Turm wahrscheinlich Turbulenzen dahinter erzeugt.

Bei Turbinen mit vertikaler Achse (wie der Name schon sagt) ist die Hauptrotorwelle vertikal angeordnet. Typischerweise sind diese kleiner und müssen nicht in Windrichtung gerichtet werden, um sich zu drehen. Sie können so den richtungsvariablen Wind nutzen.

Im Allgemeinen werden Windkraftanlagen mit horizontaler Achse als effizienter angesehen und können mehr Strom produzieren. Während das vertikale Modell weniger Strom erzeugt, kann es in tieferen Lagen platziert werden und benötigt weniger Komponenten (insbesondere einen Giermechanismus). Windkraftanlagen können aufgrund ihres Designs auch in drei allgemeine Gruppen unterteilt werden, darunter die Modelle Towered, Savonius und Darrieus.

Das Turmmodell ist die konventionellste Form von HAWT und besteht aus einem Turm (wie der Name vermuten lässt) und einer Reihe langer Klingen, die vor (und parallel zu) dem Turm sitzen. Der Savonis ist ein VAWT-Modell, das sich auf konturierte Blätter (Schaufeln) stützt, um Wind und Spin zu erfassen. Sie sind im Allgemeinen wenig effizient, haben jedoch den Vorteil, dass sie selbst starten. Diese Arten von Turbinen sind häufig Teil des Windbetriebs auf dem Dach oder auf Seeschiffen montiert.

Das Darrieus-Modell, auch als „Eggbeater“ -Turbine bekannt, ist nach dem französischen Erfinder benannt, der Pionier des Designs war - Georges Darrieus. Dieses VAWT-Modell verwendet eine Reihe vertikaler Klingen, die parallel zur vertikalen Stütze sitzen. Sie haben im Allgemeinen einen geringen Wirkungsgrad, erfordern einen zusätzlichen Rotor, um sich zu drehen, erzeugen ein hohes Drehmoment und belasten den Turm stark. Daher gelten sie im Design als unzuverlässig.

Entwicklungsgeschichte:

Windkraft wird seit Tausenden von Jahren verwendet, um Segel zu schieben, Windmühlen anzutreiben oder Druck für Wasserpumpen zu erzeugen. Die frühesten bekannten Beispiele stammen aus Zentralasien, wo Windmühlen, die im alten Persien (Iran) verwendet wurden, zwischen 500 und 900 n. Chr. Datiert wurden. Die Technologie tauchte im Mittelalter in Europa auf und wurde im 16. Jahrhundert zu einem gemeinsamen Merkmal.

Im 19. Jahrhundert wurden mit der Entwicklung der elektrischen Energie die ersten Windkraftanlagen gebaut, die Strom erzeugen können. Der erste wurde 1887 vom schottischen Akademiker James Blyth installiert, um sein Ferienhaus in Marykirk, Schottland, zu beleuchten. 1888 baute der amerikanische Erfinder Charles F. Brush die erste automatisierte Windkraftanlage, die sein Haus in Cleveland, Ohio, mit Strom versorgte.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden Windkraftanlagen zu einem gängigen Mittel zur Stromversorgung von Häusern in abgelegenen Gebieten (z. B. Gehöften). 1941 wurde in Vermont die erste Windkraftanlage der Megawattklasse installiert und an das örtliche Versorgungsnetz angeschlossen. 1951 installierte Großbritannien auf den Orkney-Inseln seine erste netzgekoppelte Windkraftanlage.

In den 1970er Jahren wurden Forschung und Entwicklung im Bereich der Windkraftanlagentechnologie dank der OPEC-Krise und Protesten gegen die Kernenergie erheblich vorangetrieben. In den folgenden Jahrzehnten entstanden in westeuropäischen Ländern und den Vereinigten Staaten Verbände und Lobbyisten, die sich der alternativen Energie widmeten. Bis zum letzten Jahrzehnt des 20. Jahrhunderts wurden in Indien und China aufgrund der zunehmenden Luftverschmutzung und der steigenden Nachfrage nach sauberer Energie ähnliche Anstrengungen unternommen.

Windkraft:

Im Vergleich zu anderen Formen erneuerbarer Energien gilt die Windenergie als sehr zuverlässig und stabil, da der Wind von Jahr zu Jahr konstant ist und in Spitzenzeiten der Nachfrage nicht abnimmt. Der Bau von Windparks war zunächst ein kostspieliges Unterfangen. Dank der jüngsten Verbesserungen hat die Windenergie begonnen, Spitzenpreise auf den Energiegroßhandelsmärkten weltweit zu setzen und die Umsätze und Gewinne der fossilen Brennstoffindustrie zu schmälern.

Laut einem Bericht des Energieministeriums vom März 2015 könnte das Wachstum der Windenergie in den USA in vielen Kategorien zu noch höher qualifizierten Arbeitsplätzen führen. Das Dokument mit dem Titel „Wind Vision: Eine neue Ära der Windenergie in den USA“ weist darauf hin, dass die Industrie bis 2050 bis zu 35% der Stromproduktion der USA ausmachen könnte.

Darüber hinaus haben der Global Wind Energy Council und Greenpeace International 2014 einen Bericht mit dem Titel „Global Wind Energy Outlook 2014“ veröffentlicht. In diesem Bericht heißt es, dass Windkraft weltweit bis 2050 bis zu 25 bis 30% des weltweiten Stroms liefern könnte. Zum Zeitpunkt der Erstellung des Berichts hatten kommerzielle Anlagen in mehr als 90 Ländern eine Gesamtkapazität von 318 Gigawatt (GW) etwa 3,1% des weltweiten Angebots.

Dies entspricht einem fast sechzehnfachen Anstieg der Adoptionsrate seit dem Jahr 2000, als die Windkraft weniger als 0,2% ausmachte. Eine andere Sichtweise wäre, zu sagen, dass sich der Marktanteil der Windenergie in weniger als 15 Jahren viermal verdoppelt hat. Damit liegt es an zweiter Stelle nach Solarenergie, die sich im gleichen Zeitraum siebenmal verdoppelt hat, aber hinsichtlich ihres Gesamtmarktanteils immer noch hinter dem Wind zurückbleibt (bis 2014 bei etwa 1%).

In Bezug auf seine Nachteile ist ein immer wieder aufgeworfenes Problem die Auswirkung von Windkraftanlagen auf die lokale Tierwelt und die Störung ihrer Präsenz auf die lokale Landschaft. Es hat sich jedoch häufig gezeigt, dass diese Bedenken von Interessengruppen und Lobbyisten, die Windkraft und andere erneuerbare Energiequellen diskreditieren wollen, aufgebläht werden.

Eine 2009 vom National Renewable Energy Laboratory veröffentlichte Studie ergab beispielsweise, dass weniger als 1 Morgen pro Megawatt durch den Bau großer Windparks dauerhaft gestört werden und weniger als 3,5 Morgen pro Megawatt vorübergehend gestört werden. Dieselbe Studie kam zu dem Schluss, dass die Auswirkungen auf die Tier- und Fledermauswelt relativ gering sind und dass die gleichen Schlussfolgerungen für Offshore-Plattformen gelten.

Überall auf der Welt suchen Regierungen und lokale Gemeinschaften nach Windkraft, um ihren Energiebedarf zu decken. In Zeiten steigender Kraftstoffpreise, wachsender Bedenken hinsichtlich des Klimawandels und der Verbesserung der Technologie ist dies kaum überraschend. Bei seiner derzeitigen Akzeptanz dürfte es bis Mitte des Jahrhunderts eine der größten Energiequellen sein.

Und genießen Sie dieses Video über Windkraftanlagen mit freundlicher Genehmigung des Lewis Research Center der NASA:

Wir haben hier im Space Magazine viele interessante Artikel über Windkraftanlagen und Windkraft geschrieben. Was ist alternative Energie? Was sind fossile Brennstoffe? Was sind die verschiedenen Arten erneuerbarer Energien? Windkraft auf dem Ozean (mit Hilfe des Weltraums) und Könnte die Welt mit Solar- und Windkraft betrieben werden?

Weitere Informationen finden Sie im Artikel von How Stuff Works über die Geschichte und Mechanik der Windkraft sowie auf der Greenspace-Seite der NASA.

Astronomy Cast hat auch einige Episoden, die für das Thema relevant sind. Hier ist Episode 51: Erde und Episode 308: Klimawandel.

Quellen: