Es scheint, als ob jede Woche eine neue Windgenerator-Innovation vorgestellt wird, manchmal in Technologie-Blogs, manchmal in Fernsehbeiträgen, einmal sogar in TED Talks. Sie alle behaupten, besser zu sein als die kultigen, dreiflügeligen Windturbinen mit horizontaler Achse, die wir am besten kennen. Welches ist also das effizienteste Design für die Nutzung von Windenergie? Wenn jede Konstruktion einer konstanten Windquelle ausgesetzt wäre und jede Konstruktion die gleiche Fläche (für Flügel, Tragflächen oder andere Komponenten) hätte, welche würde in der gleichen Zeitspanne den meisten Strom erzeugen?
Kurzantwort
Eine moderne Windturbine mit horizontaler Achse und drei Flügeln würde den meisten Strom erzeugen. Behauptungen über eine überlegene Leistung alternativer Technologien, die mit Investitionsaufforderungen einhergehen, sollten äußerst skeptisch betrachtet werden.
Lange Antwort
Die maximale potenzielle Stromerzeugung aus einer bestimmten Windmenge wird durch das Betz’sche Gesetz (auch bekannt als Betz’sche Grenze) bestimmt. Betz berechnete, dass die maximale Leistung, die aus dem Wind gewonnen werden kann, 59,3 % seiner Gesamtenergie beträgt.
Drei-Blatt-Windkraftanlagen mit horizontaler Achse
Vertikal-Achse Windkraftanlagen mit aerodynamischen Flügeln
Kabelgebunden, fliegende Windgeneratoren (derzeit nur Prototypen und Renderings)
Horizontal-Windgeneratoren mit horizontaler Achse verschiedener Typen ohne aerodynamische Komponente an den Flügeln
Vertikal-Achsen-Windgeneratoren verschiedener Typen wie der Savonius-Generator ohne aerodynamische Flügel
Verschiedene Geräte, die wie Strahltriebwerke aussehen, oder Düsentriebwerke mit großen Trichtern, Kegel mit Kolben (der Saphonian ) oder Korkenzieher
Türme, die eine passive Sonnenheizung um ihre Basis herum nutzen, um starke Winde zu erzeugen, die den Turm hinaufströmen, vorbei an Windturbinenflügeln, die sich im Inneren des Turms drehen
Wie schneiden sie ab?
Es gibt heute über 300.000 dreiblättrige Windturbinen mit horizontaler Achse, die Strom erzeugen. Sie sind die erfolgreichste Form der Stromerzeugung, weil sie die effektivste ist. Die Gründe dafür sind leicht zu erklären:
Aerodynamische Flügel fügen eine Komponente der Auftriebskraft hinzu, die den Flügel schneller vorantreibt. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Windrädern mit horizontaler oder vertikaler Achse. Jede noch so gut konstruierte Windkraftanlage mit aerodynamischen Flügeln wird immer mehr Strom erzeugen als der beste Generator ohne aerodynamischen Auftrieb als Komponente der Energiegewinnung.
Die Flügel der Dreiblattkonstruktion fliegen immer durch saubere Luft. Die Turbulenzen, die bei der Passage des vorhergehenden Flügels entstanden sind, werden vom Wind weggetragen, wenn der nächste Flügel die gleiche Stelle passiert. Vertikalachsige Windturbinen, egal ob sie mit Blättern oder mit reinem Luftwiderstand ausgestattet sind, fliegen zu einem erheblichen Prozentsatz der Zeit durch turbulente Luft. Die saubere Luft verschafft den dreiflügeligen HAWTs einen beträchtlichen Vorteil.
Die Blätter der Dreiblatt-Konstruktion stehen immer im optimalen Winkel zum Gegenwind. Aerodynamisch beschaufelte Windenergieanlagen mit vertikaler Achse ändern den Winkel ihrer Blätter zum Gegenwind ständig, während sie sich drehen, und selbst bei den besten Konstruktionen befindet sich nur ein Teil der Blätter zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem optimalen Winkel. Die Ausrichtung der Flügel von HAWTs auf den Gegenwind erfordert im Vergleich zu diesem Vorteil triviale Energiemengen. Savonius-Windgeneratoren (benannt nach einem finnischen Ingenieur, der 1922 eine gängige Variante entwickelte) sind sogar noch schlimmer, da sie den Wind auf der konkaven Hälfte ihrer Oberfläche einfangen und auf der konvexen Hälfte den Wind ableiten, was zu Luftwiderstand und zusätzlichen Turbulenzen auf der anderen Hälfte ihrer Oberfläche führt. (Ich analysierte eine potenzielle Investition für ein kleines Unternehmen in die Mikroerzeugung und stellte fest, dass der Erfinder fünf „Innovationen“ um die grundlegende Savonius-Prämisse herum entwickelt hatte, die sie von einer billigen Form der Energieerzeugung, die für geringfügige Bewässerungszwecke ausreicht, zu einer sehr teuren Form der Energieerzeugung, die für geringfügige Bewässerungszwecke ausreicht, machte). Zum Vergleich hier eine kostengünstige Savonius-Bewässerungswindmühle, die aus einem alten Plastikfass und etwas Altholz gebaut wurde.
Drei Flügel lassen sich gut skalieren. Einer der größten Vorteile ist, dass man einen sehr großen Satz von Flügeln auf einem sehr hohen Turm anbringen und viel Wind oberhalb des Punktes sammeln kann, an dem er durch den Kontakt mit dem Boden abflaut.
Es wurden viele „innovative“ Designs vorgeschlagen, die eine Art Venturi-Effekt in Kombination mit Turbinenrotoren nutzen, aber das grundlegende Problem ist, dass man, um genügend Wind zu sammeln, die äußere Hülle bis zu dem Punkt vergrößern muss, an dem Gewicht und Materialkosten unerschwinglich werden. Eine Außenhülle muss mindestens auf das Quadrat des Durchmessers skaliert werden, wahrscheinlich sogar mehr. Eine 3-MW-Windturbine mit 80-Meter-Blättern kann einen Teil der Energie von 20 096 Quadratmetern Luft auffangen. Eine Venturi-Schale in dieser Größenordnung hätte einen Umfang von 251,2 Metern, müsste wahrscheinlich mindestens 10 Meter breit sein, bevor spürbare Effekte eintreten, und würde eine enorme Menge wiegen.
Andere „innovative“ Entwürfe lassen Windfangvorrichtungen der einen oder anderen Art – Turbinenblätter mit Luftschiffhülle, Gestelle mit Turbinen, Drachen mit Turbinen – in den Wind fliegen, der konstanter und höher über dem Boden ist. Das Problem besteht darin, dass diese Geräte ständig an ihre Größengrenzen stoßen. Der Windgenerator in der Hülle eines Luftschiffs beginnt mit Steifigkeitsproblemen zu kämpfen, lange bevor er für die Stromerzeugung im großen Maßstab geeignet ist. Die Flugdrachen mit Flügeln benötigen massive und sehr lange Kabel, um den Kräften zu widerstehen. Im Allgemeinen sind diese Prototypen sehr interessant und kommen nie auf den Markt. Sie alle erfordern massive Bodeninstallationen mit außerordentlich großen Winden, wenn man die Stromerzeugung im Nutzmaßstab anstrebt. Wenn man an die Stärke eines Schiffes multipliziert mit Kilometern von Kabeln denkt, wird einem klar, dass das Gewicht und die Kosten des Kabels allein für eine sinnvolle Stromerzeugung unerschwinglich werden.
Drei Flügel sitzen einfach an einem Ort auf einer großen Säule, wenn sie Strom erzeugen. Das ist sehr effizient und einer der Gründe dafür, dass sich die beim Bau verbrauchte Energie schneller amortisiert als bei jeder anderen Form der Stromerzeugung. Ein Windpark in Australien erzeugte in einem Jahr das 302-fache des Stroms, der für das Starten, Bremsen und Drehen der Windräder benötigt wurde. Vergleichen Sie dies mit den Anforderungen an eine fliegende Windturbine, die bei Windstille hochgezogen und bei aufkommendem Wind gestartet werden muss und über ein schweres, möglicherweise kilometerlanges Kabel verfügt, das regelmäßig an die maximale Stromerzeugung angepasst wird.
Das nachstehende Schaubild stammt aus dem 2006 erschienenen Buch von E. Hau., Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Deutschland. 2006. Schon damals war dies keine Neuigkeit, sondern lediglich eine naheliegende Aussage, die in Lehrbücher aufgenommen werden sollte.
Der Solar-Wind-Turm mit Turbinenflügeln kommt einer interessanten Technologie am nächsten, jedoch wird die Wartung nie untersucht. Die Turbinen werden oft als 3-7 oder mehr horizontal über die Länge des Turms gestapelt vorgestellt. Alternativ dazu werden viel kleinere Turbinen um den Fuß des Turms herum in den Tunneln angeordnet, die von der großen Glasfläche abgehen. Sie werden in sehr heißen Winden betrieben, wahrscheinlich bei 45 Grad Celsius oder mehr und mit Geschwindigkeiten von 50 km/h und mehr. Das Gerät ist praktisch ein Konvektionsofen, der einen Menschen in kürzester Zeit kochen würde. Die Arbeit im Inneren des Turms würde Kühlanzüge und Atemschutzgeräte erfordern, falls die Windgeschwindigkeit dies überhaupt zulässt. Den Turbinenkopf oder die Rotorblätter aus dem Turm herauszuziehen, um sie zu warten, wäre eine außergewöhnliche Arbeit. Das Schließen der Windeinspeisung würde das Schließen von Toren mit einem Durchmesser von fünf Kilometern erfordern.
Sehen Sie sich meinen zugehörigen Beitrag Invest sorgfältig an; Windenergie-„Innovationen“ sind selten koscher für die Fragen, die man sich bei jeder innovativen Windkraftanlage stellen sollte, besonders wenn jemand Sie bittet, Geld in sie zu stecken.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Warum sind Windturbinen mit vertikaler Achse nicht beliebter?
Sind Windturbinen in der Luft eine plausible Quelle für billige Energie?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Windturbinen zahlen ihre gesamten Umwelt-‚Schulden‘ in weniger als sechs Monaten zurück
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Paul Gipes ausgezeichnetes Material über die Wirtschaftlichkeit der Windenergie
