Windturbinendesign mit vertikaler Achse – VAWT-Design

Ein Windkraftgenerator(WTG) ist ein Gerät, das dem Wind kinetische Energie entzieht, indem es einen Rotor verwendet, der aus zwei oder mehr Blättern besteht, die mechanisch mit einem elektrischen Generator gekoppelt sind. Aber Windturbinen müssen nicht das stereotype Design eines hohen Mastes mit dem Narcel darauf haben, sie können auch die Form einer Vertikalachsen-Windturbine oder eines VAWT-Designs haben.

Die Stromerzeugung von Windkraftanlagen hängt von der Wechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Wind ab. Aber es gibt eine Obergrenze für die Energiemenge, die aus der Bewegung des Windes gewonnen werden kann. Keine Windkraftanlage kann mehr elektrische Energie erzeugen als der Wind selbst. Dazu müsste das Windrad den Wind stoppen, indem es ihm 100 % seiner kinetischen Energie entzieht.

Die von einer horizontalen Windkraftanlage umgewandelte Leistung ist proportional zur vom Rotor überstrichenen Fläche (rotorüberstrichene Fläche). Um also so viel wie möglich von der kinetischen Energie des Windes einzufangen, sollten die Rotorblätter der Windturbinen so lang wie möglich sein.

Um dies weiter zu steigern, werden Windturbinen auf Türmen montiert, die so hoch wie möglich sind und meistens sind sie auf Türmen montiert, die 80 Meter (260 Fuß) hoch sind. Dies liegt daran, dass in einer offenen unverbauten Landschaft die Windgeschwindigkeit relativ zum Boden mit zunehmender Höhe über dem Boden erheblich zunehmen kann.

VAWT-Turbine mit kombinierter Savonius- und
Darrieus-Turbine

Die meisten modernen Windturbinen verwenden eine Windturbine mit horizontaler Achse oder HAWT-Design, bei dem die Turbinenblätter auf einer horizontalen Welle montiert sind, wobei die Rotorblätter einer HAWT senkrecht zur Windströmung gehalten werden, um die maximale Energie einzufangen.

Diese Welle ist mit einem Getriebe oder Getriebe verbunden, und das Getriebe wird zwischen der Windwelle (der Achse, an der die Blätter befestigt sind) und dem elektrischen Generator platziert, um sicherzustellen, dass sich der Generator mit einer optimalen Drehzahl dreht, um Strom zu erzeugen, der für geeignet ist das Stromnetz, typischerweise im Bereich von 1.200 bis 1.800 U/min.

Ein Nachteil des horizontalen Windturbinengenerators besteht darin, dass sich der Windturbinenkörper kontinuierlich drehen muss, damit sich die Rotorblätter drehen können, um sie auszurichten Rotor in Richtung des ankommenden Windes.

Dieses “Gieren” Die Steuerung kann so einfach sein wie die Heckfahne eines kleinen Windkraftgenerators oder die komplexere Motorsteuerung moderner Türme. Es gibt jedoch eine andere Art von Windkraftanlagen, die als Vertikalachsen-Windkraftanlage, kurz VAWT-Windkraftanlage bezeichnet wird und den Vorteil hat, dass sie Wind aus allen Richtungen akzeptiert.

Die Windkraftanlage mit vertikaler Achse

Die “Windkraftanlage mit vertikaler Achse” hat Turbinenblattkonstruktionen entweder vertikal oder in Form eines Schneebesens und ähnelt in vielerlei Hinsicht den windbetriebenen Zentrifugalventilatoren, die an Schornsteinen und Rauchabzügen zu sehen sind. Die Windturbinenblätter mit vertikaler Achse sind an einer zentralen vertikalen Welle befestigt, was gegenüber den horizontalen Windturbinenkonstruktionen spezifische Vorteile hat.

Wenn sich die Blätter drehen, dreht sich die Welle, die an einer Lichtmaschine befestigt ist, die sich im Allgemeinen am Boden der Welle befindet, oft auf Bodenhöhe. Abgesehen von der Form der Rotorblätter sind alle anderen Komponenten, die in der VAWT-Windkraftanlage verwendet werden, in beiden Konstruktionen gleich, mit einigen geringfügigen Unterschieden in ihrer Platzierung.

Windkraftanlagenblätter mit vertikaler Achse können entweder a schleppgetriebene oder auftriebsgetriebene Rotorkonstruktion. Die am weitesten verbreitete Windturbinenkonstruktion mit vertikaler Achse ist der Savonius-Rotor, der seit Hunderten von Jahren zum Pumpen von Wasser und für andere derartige mechanische Anwendungen verwendet wird. Die Savonius VAWT Windkraftanlagehat von oben gesehen einen S-förmigen Rotor und arbeitet als Schleppvorrichtung, daher kann die Winkelgeschwindigkeit der Turbine die Umgebungswindgeschwindigkeit nicht überschreiten.

Die Leistung des Savonius-Turbinendesigns basiert auf dem Unterschied im Luftdruck über den Blättern, wenn sich ein Blattsatz aus dem Wind zurückzieht und der andere Blattsatz in den Wind vordringt. Dies hängt wiederum mit der Differenz der Luftwiderstandsbeiwerte zusammen, die der konvexen Seite der Schaufel und der konkaven Seite der Schaufel zugeordnet sind. Im Allgemeinen haben die Savonius-Rotoren im Vergleich zu anderen Arten von Windturbinenkonstruktionen einen relativ niedrigen Wirkungsgrad.

Hubgetriebene Windturbinenrotoren mit vertikaler Achse werden jedoch häufiger zur Stromerzeugung verwendet. Diese VAWT-Rotorblätter werden als auftriebsgetriebene Turbinenblätter bezeichnet, da die Rotorblätter eine Auftriebskraft erfahren, wenn der Wind über die Turbine bläst. Typischerweise haben auftriebsgetriebene Rotoren lange gekrümmte Blätter und werden nach ihrem Erfinder oft als Darrieus-Rotordesign bezeichnet.

Mit der Darrieus-Windkraftanlage sind mehrere Vorteile verbunden. Erstens ist die Darrieus-Turbine omnidirektional und benötigt keine speziellen Giermechanismen, um sich kontinuierlich in die Windrichtung auszurichten.

Zweitens vereinfacht seine vertikale Antriebswelle die Installation des Getriebes und des elektrischen Generators am Boden, was den Aufbau und die Wartung erheblich vereinfacht. Auf der negativen Seite wurde die Maschine mit vertikaler Achse nicht weit verbreitet, da ihre Ausgangsleistung bei starkem Wind nicht einfach durch Ändern der Blattneigung gesteuert werden kann.

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Obwohl es Hunderte von kommerziell erhältlichen Windmaschinen mit vertikaler Achse gibt Turbinendesigns, die dem Hausbesitzer leicht zur Auswahl stehen, wurde in der Praxis die Windkraftanlage mit vertikaler Achse nicht annähernd so weit verbreitet wie ihre Verwandten mit horizontaler Achse.

Die Gründe haben mit der Art der Aerodynamik des vertikalen Rotors zu tun, die strukturellen Belastungen auf jedem Blatt variieren stark während jeder Drehung, was dazu führt, dass die Blätter verdreht und gebogen werden, wenn sie sich im Wind drehen, was zu einem hohen Ermüdungsbruch und einer Beschädigung beiträgt.

Außerdem ist die Windkraftanlage mit vertikaler Achse nicht dazu geeignet, auf einem hohen Turm installiert zu werden, da viele VAWTs große Lager oder Stützen an der Spitze der Konstruktion erfordern, um eine Drehung der Welle zu ermöglichen. Dies bedeutet, dass die Windturbinengeneratoren mit vertikaler Achse in der Regel nahe am Boden oder auf Gebäuden in einer Region mit relativ niedrigen Windgeschwindigkeiten aufgestellt werden.

Obwohl VAWT-Designs wie alle Winde in Bodennähe einfangen können Turbinen, die auf einem kurzen Turm installiert sind, sind dadurch empfindlich gegenüber Turbulenzen und Bodenwiderstand. Sowohl der Bodenwiderstand als auch Turbulenzen bei schwachen Winden verringern die Leistung, die jeder nahe am Boden montierten Turbine zur Verfügung steht, was zu einem geringeren Wirkungsgrad führt als bei einer horizontalachsigen Turbine mit gleicher Nennleistung, aber auf einem höheren Turm.

VAWT-Generatoren

Generatoren für Windkraftanlagen mit vertikaler Achse neigen dazu, weniger zuverlässig und weniger effizient zu sein als ihre entsprechenden „Windkraftanlagen mit horizontaler Achse“. Cousins. Da VAWTs näher am Boden montiert werden, verringern sowohl der Bodenwiderstand als auch Turbulenzen bei niedrigeren Winden die verfügbare Leistung, sodass an solchen Standorten nur sehr wenig aus dem Wind entnehmbare Energie vorhanden ist, und je niedriger die Windgeschwindigkeit ist, desto weniger Strom wird eine Turbine produzieren .

Die Mehrheit der derzeit installierten Windturbinengeneratoren mit vertikaler Achse erzeugen elektrische Energie. Unabhängig davon, ob diese Turbinen an das Stromnetz angeschlossen sind oder nicht, müssen sie eine Stromversorgung mit konstanter Frequenz erzeugen, da sonst viele gängige Geräte nicht richtig funktionieren. Nur weil eine Windkraftanlage mit vertikaler Achse ebenerdig oder auf dem Dach eines Gebäudes montiert werden kann, bedeutet das nicht, dass sie genug Strom produziert, um sich zu lohnen.

Aber kleinere VAWT-Designs in Verbindung mit Permanentmagnet-Gleichstromgeneratoren kann für Batterieladeanwendungen in Wohnmobilen, Wohnmobilen oder Booten verwendet werden.

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