Windkraftanlage mit vertikaler Achse in städtischen Anwendungen

Windkraft ist eine kommerziell erprobte und schnell wachsende Form der Stromerzeugung. Windkraftanlagen liefern weltweit sauberen, erneuerbaren und kostengünstigen Strom und entwickeln sich nach der Sonnenenergie schnell zu einer wichtigen Technologie für erneuerbare Energien. Die akzeptierte Klassifizierung einer Windkraftanlage ergibt sich aus ihrer Orientierungsachse. Entweder als Horizontalachsen-Windkraftanlage (HAWT) oder als Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT).

Dreiflügelige Horizontalachsen-Windkraftanlagen sind überall zu finden, da sie ein bewährtes und bewährtes Design mit einer langen Geschichte der Verfeinerung und Verfeinerung sind Verbesserungen. HAWTs werden häufig in großen Windpark-Arrays auf dem Land sowie in offenen Offshore-Projekten eingesetzt, wo die Bewegung des Windes sauberer, stärker und ungestört ist.

Aufgrund von Hochhäusern, Bäumen und großen künstlichen Strukturen ist das Muster und die Strömung des Windes um Städte und städtische Gebiete jedoch weniger vorhersehbar, chaotischer und voller Turbulenzen. Dadurch werden große Windkraftanlagen mit horizontalen Flügeln in städtischen und halbstädtischen Gebieten weniger effizient.

Design von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse

Windkraftanlagen mit vertikaler Achse, oder kurz VAWT, sind attraktiver und besser geeignet für den Einsatz in Städten und städtischen Umgebungen, in denen die Windströmung weniger vorhersehbar ist. Dies macht VAWTs zu einer viel besseren Wahl sowohl für die Installation am Boden als auch für die Montage auf Gebäuden und Dächern, die andernfalls die Installation höherer horizontaler Turbinenstrukturen einschränken würden.

Auch diese Art von Windturbine Der Generator ist omnidirektional, was bedeutet, dass die Flügel nicht in den entgegenkommenden Wind ausgerichtet werden müssen, wie es aufgrund seiner Konstruktion immer der Fall ist. Dann haben VAWTs keine komplizierten Gähnen- oder Schwanzflossenanforderungen, um sicherzustellen, dass sie immer in die richtige Richtung zeigen.

Zum Teil aufgrund ihres einfachen reibungsarmen vertikalen Blattdesigns haben Turbinen mit vertikaler Achse eine relativ niedrige Einschaltwindgeschwindigkeit, die es ihnen ermöglicht, unabhängig von den Eigenschaften oder der Richtung des Windes zu arbeiten, wenn sie von Gebäuden und Infrastruktur umgeben sind. Ein weiterer Vorteil von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse besteht darin, dass sie in der Nähe des Verwendungsorts aufgestellt werden können, wodurch die Belastung der vorhandenen Netzinfrastruktur verringert wird, die Nachhaltigkeit gefördert und gleichzeitig Umweltbedenken reduziert werden.

Designs für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse

Energie durchströmt die Umgebung als Strom oder Windfluss. Die maximale Leistung, die eine Windkraftanlage aus dem Wind gewinnen kann, hängt stark von Art, Bauart und Standort ab. Horizontale Windturbinen gewinnen Energie, indem sie den ankommenden Wind mit ihren Rotorblättern verlangsamen. Will man dabei 100 % Effizienz erreichen, müssten die Rotorblätter 100 % des Windes stoppen, was natürlich nicht möglich ist.

Windturbinen mit vertikaler Achse stellen eine neue Art von Stromerzeugungstechnologie dar, die für einen kleineren städtischen Nischenmarkt entwickelt wurde. Im Allgemeinen hätten VAWTs eine relativ geringe Auswirkung auf das Aussehen und die Umwelt um Gebäude herum, da sie kürzer sind als die herkömmliche horizontale Windkraftanlage. Außerdem befinden sich ihre Hauptarbeitskomponenten wie Generator und Getriebe näher am Boden und erfordern weniger strukturelle Stützen. Dies macht die Wartung, Inspektion und Reparatur dieser Turbinengeneratoren ziemlich einfach.

Windkraftanlagen mit vertikaler Achse drehen sich um eine Achse senkrecht zum Wind und verwenden eine Vielzahl unterschiedlicher Konstruktionen. Rotierende Leitschaufeln, Becher oder Schneebesen-Designs sind jetzt sehr weit verbreitet, jedes mit seinen eigenen Vor- und Nachteilen.

Ursprünglich wurden Turbinenstrukturen mit vertikaler Achse zum Pumpen von Wasser und zur Bewässerung von Pflanzen an abgelegenen Orten mit Wind verwendet jede Richtung und bei niedriger Geschwindigkeit. Heute sind VAWTs eine effiziente Lösung für den Einsatz in bebauten Gebieten, wo der Wind instabil ist, wobei das Design von VAWTs in zwei Haupttypen kategorisiert ist, Savonius (luftwiderstandsgetrieben) und Darrieus (liftgetriebene) Designs.

Savonius-Windturbinendesign

Das Savonius-Windturbinendesign (benannt nach seinem finnischen Erfinder) ist ein einfaches Design, das auf dem Prinzip des “Differentialwiderstands” basiert. Der Savonius-Rotor verwendet zwei versetzte halbzylindrische Flügel, Halbzylinder oder Schalen, die um eine vertikale Welle montiert sind, ähnlich der Konstruktion, die von Windgeschwindigkeits-Anemometern verwendet wird.

Typischerweise bestehen Savonius-Designs aus zwei oder drei Tassen, Schalen pro Abschnitt oder zwei halben Halbzylindern, die in entgegengesetzte Richtungen zum Wind zeigen, sodass sie eine Art „S“-förmiges Design bilden, das an einer Vertikalen befestigt ist Welle. Das bedeutet, dass er sich wie gezeigt nur in eine Richtung drehen kann.

Arten des Savonius-Turbinenrotordesigns

Savonius-Turbinen arbeiten, indem sie den Wind von der Rückseite der konkaven Seite der Becher oder Zylinder auf der einen Seite und in das Innere der konvexen Seite der Becher auf der anderen Seite leiten. Diese Windrichtung zwischen den Schalen oder Halbzylindern führt zu einer Bewegung und Drehung um die befestigte vertikale Welle.

Dann arbeiten Savonius-Turbinen nach dem Widerstandsprinzip, da die Becher weniger Widerstand haben, wenn sie sich in Windrichtung drehen, und mehr Widerstand, wenn sie sich gegen den Wind drehen. Diese Wirkung unterschiedlicher Kräfte wird durch die Bewegung von Wind und Luft zwischen den zwei (oder drei) Schalen verstärkt, was wiederum das Antriebsdrehmoment der Welle zur Verwendung bei der Stromerzeugung oder Wasserförderung erhöht.

Allerdings , da sie nur nach dem Widerstandsprinzip arbeiten, sind sie im Allgemeinen weniger effizient als andere VAWT-Designs, da nur etwa 25 bis 30 % der im Wind verfügbaren Energie erfolgreich extrahiert werden können.

Der Hauptvorteil des Savonius-Rotordesigns besteht darin, dass es sich sehr leicht drehen lässt. Seine inhärente niedrige Einschaltwindgeschwindigkeit und das niedrige Spitzengeschwindigkeitsverhältnis ermöglichen es ihm, die Energie aus jedem ungerichteten Wind zu extrahieren. Daher eignet es sich gut für den Betrieb an vielen städtischen Standorten mit niedrigen Windgeschwindigkeiten sowie variablen Windrichtungen.

Savonius-Rotor-Windkraftanlagen mit vertikaler Achse sind einfache, wartungsarme Turbinen, die in Anwendungen eingesetzt werden können, die nicht viel Stromerzeugung erfordern. Selbstgebaute Savonius-Rotordesigns wurden auch aus zwei Hälften eines Ölfasses für einfache netzunabhängige Wasserpumpenanwendungen hergestellt. Die häufigste Anwendung eines Savonius-Rotors ist jedoch die Verwendung in Windgeschwindigkeits-Anemometern, die die Windgeschwindigkeit messen.

Darrieus Wind Turbine Design

Der Darrieus-Windturbinenrotor (benannt nach seinem finnischen Erfinder) verwendet zwei oder drei dünne Tragflächenblätter oder Leitschaufeln, die wie vertikale Blätter oder ein schneebesenförmiges Design aussehen, das auf einer vertikalen Welle montiert ist. Die flügelförmigen Blätter sind horizontal um die zentrale Welle positioniert und bieten so eine bessere aerodynamische Leistung und ein viel einfacheres Design als der Savonius-Rotor. Der Rotor kann innerhalb seiner Konstruktion aus zwei, drei oder mehr geraden, gekrümmten oder flügelförmigen Blättern bestehen. Zwei gerade Blätter sind allgemein als H-Blatt-Konfiguration bekannt.

Arten des Darrieus-Turbinenrotordesigns

Der Darrieus-Rotor arbeitet nach dem Prinzip der Auftriebskräfte (ähnlich dem horizontalen Flügelrotor) mit maximalem Antriebsdrehmoment, das erzeugt wird, wenn sich die geformten Blätter schneller als die Windgeschwindigkeit über den Wind bewegen . Dies bedeutet, dass sie im Gegensatz zum Savonius-Rotor mehr nutzbare Energie aus dem Wind pro Einheit überstrichener Fläche gewinnen können.

Während es sich auf einem kreisförmigen Weg durch die Luft dreht, erzeugt jedes Blatt eine kleine Auftriebskraft, die zu einem positiven Drehmoment auf den Rotor führt, ähnlich den aerodynamischen Kräften an einem Flugzeugflügel, und je größer die Auftriebskraft, desto größer die Drehung. Mechanische Kraft wird durch eine Tangentialkraft an die zentrale Welle geliefert, die die Kraft an den elektrischen Generator darunter überträgt.

Im Gegensatz zum vorherigen Savonius-Rotor ist ein reiner Darrieus-Rotor keine selbststartende Maschine und erfordert daher einen externen Mechanismus, um ihn anfänglich in Gang zu bringen. Das heißt, der Rotor muss sich bereits drehen, bevor der Wind eine Antriebskraft auf ihn ausüben kann. Im Allgemeinen ist ein kleiner Savonius-Rotor auf der Darrieus-Hauptwelle eingebaut, um das erforderliche Startdrehmoment bei niedrigen Drehzahlen bereitzustellen.

Der Vorteil des Darrieus-Rotordesigns besteht darin, dass er sich nach dem Start mit einer ziemlich hohen Spitzengeschwindigkeit drehen kann und mehr Leistung als der Savonius-Rotor erzeugt. Einige kommerzielle High-End-Flügel für vertikale Windkraftanlagen sind für variable Neigungswinkel angelenkt, die sich bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten aufgrund von Zentrifugalkräften verschieben und die Rotationsgeschwindigkeit verringern, wodurch die Gefahr einer Übergeschwindigkeit beseitigt wird.

Zusammenfassung der Windturbine mit vertikaler Achse

Windkraftanlagen werden verwendet, um Windenergie in Strom umzuwandeln oder Wasser zu pumpen. Das Wachstum und die Akzeptanz von Windkraftanlagen in städtischen Anwendungen sind noch begrenzt, aber städtische VAWTs haben gegenüber ihren größeren Verwandten mit horizontaler Achse mehrere Vorteile. Sie können lokal Strom für netzunabhängige Anwendungen erzeugen, die Treibhausgasemissionen von Kraftwerken reduzieren und zur nachhaltigen Entwicklung der lokalen Gemeinschaft beitragen.

Windkraftanlagen mit vertikaler Achse in Form von Savonius- oder Darrieus-Rotordesigns eignen sich gut für Städte und städtische Gebiete mit schwachen und instabilen Windgeschwindigkeiten. Die Savonius-Windkraftanlage dreht sich langsamer und ist daher besser zum Pumpen von Wasser geeignet. Die Darrieus-Windkraftanlage dreht sich mit einer höheren Drehzahl und eignet sich daher besser zur Stromerzeugung. Allerdings sind Darrieus-Rotoren nicht selbststartend.

Als Ergebnis sind jetzt Darrieus-Savonius-Hybridrotoren erhältlich, die mehr kinetische Energie aus einer niedrigen oder unvorhersehbaren Windgeschwindigkeit für den Einsatz in städtischen Umgebungen gewinnen können. Ein solches Design eines hybriden VAWTs ist die NINILADY 300w-Windkraftanlage mit vertikaler Achse, die aus einem Savonius-Rotor vom S-Typ mit drei Tragflächenblättern besteht, die einen Darrieus-Rotor bilden, um die Leistung zu maximieren. Es kann Strom aus einer relativ niedrigen Einschaltwindgeschwindigkeit von 1,3 m/s erzeugen und eine Nennausgangsleistung von 300 Watt bei 10 m/s erreichen.

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