Windenergie erklärt: Wie Turbinen Strom erzeugen

Da die Kosten für die Energieerzeugung voraussichtlich weiter steigen und Umweltverschmutzung zu einem ernsthaften ökologischen Problem wird, ist die Suche nach erneuerbaren Quellen für billige und saubere Energie zu einer wichtigen Industrie geworden. Windenergie gilt seit langem als eine mögliche Quelle erneuerbarer Energie, hat aber in den letzten 20 Jahren ihre größten Fortschritte gemacht. Bis 2001 wurden in den USA über 2.000 Megawatt Windenergiekapazität hinzugefügt, und diese Kapazität nimmt weiterhin zu.

Turbinen

Windturbinen arbeiten genau andersherum als ein Ventilator. Anstatt Strom zu verwenden, um Wind zu erzeugen wie ein Ventilator, wird der Wind genutzt, um einen Ventilator zu drehen und Strom zu erzeugen. Da der Wind durch die Erwärmung der Atmosphäre durch die Sonne entsteht, ist Wind tatsächlich eine Form von Solarenergie, sodass Windenergie effektiv Solarenergie ist. Turbinen nutzen diese Energie, indem sie die Kraft des Windes, der gegen sie weht, verwenden, um eine zentrale Achse zu drehen.

Betrieb

Um Windenergie zu nutzen, wird ein Ventilator oder genauer gesagt eine Turbine auf einem langen Sockel montiert. Die Turbine ist über Getriebe mit einer Welle verbunden, die wiederum mit einem Generator verbunden ist. Wenn der Wind gegen die Turbine drückt, verursacht er deren Drehung. Diese Bewegung wird auf die Welle übertragen, die den Generator dreht, um elektrische Energie zu erzeugen. Zwei Arten von Turbinen werden auf diese Weise eingesetzt.

Typen

Der häufigste Typ von Windturbine ist die Turbine mit horizontaler Achse. Diese Turbine ähnelt am meisten einem herkömmlichen Ventilator oder Propellerdesign mit Schaufeln, die horizontal auf einer zentralen Achse montiert sind. Der zweite Typ ist eine Turbine mit vertikaler Achse, die Schaufeln verwendet, die vertikal in Serie oder parallel um eine zentrale Achse montiert sind. Diese Schaufeln arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie ein Flugzeugflügel, und wenn Wind über sie strömt, erzeugen sie Auftrieb. Dieser Auftrieb wird als Kraft genutzt, wodurch sich die Schaufeln und die Achse, an der sie befestigt sind, um eine zentrale Achse drehen. Die Achse ist mit einer Welle verbunden, und der Rest des Prozesses ist derselbe wie bei einer Turbine mit horizontaler Achse. Diese vertikalen Turbinen sind viel weniger effizient als Turbinen mit horizontaler Achse und eignen sich eher zur Erzeugung mechanischer Kraft als elektrischer Energie.

Methoden

Windenergie ist nicht konstant. Daher können Windturbinen keine gleichmäßige Versorgung mit elektrischer Energie gewährleisten. Um die Effizienz und Praktikabilität von Windturbinen zu erhöhen, muss Strom sofort verwendet oder für später gespeichert werden. In groß angelegten Windparkbetrieben, bei denen viele Turbinen in Serie angeordnet sind, um große Mengen elektrischer Energie zu erzeugen, wird die elektrische Energie der Windturbinen direkt an das normale Stromnetz gesendet, das die umliegende Gegend mit Strom versorgt. In kleinen Anwendungen wie einzelnen Haus-Windturbinen wird die Energie der Windturbine genutzt, um das Haus mit Strom zu versorgen und gleichzeitig Batterien für Zeiträume aufzuladen, in denen die Windaktivität zu gering ist, um ausreichend Energie bereitzustellen.

Effizienz

Windturbinen erzeugen keine Schadstoffe und verwenden keine nicht erneuerbaren Energiequellen zur Stromerzeugung, sodass die Effizienz ein annähernder Wert ist. Die Turbineneffizienz wird dadurch bestimmt, wie gut sie Windenergie in Strom umwandelt. Wie gut eine Turbine Windenergie in elektrische Energie umwandelt, hängt von der Größe der Turbine, der Größe der Rotorblätter, der Luftdichte und der Geschwindigkeit der Luftbewegung ab. Die Physik hinter der Windenergieeffizienz begrenzt, wie viel Gesamtenergie eine Turbine aus dem Wind extrahieren kann. Betzs Gesetz besagt, dass eine Windturbine nur bis zu 59 Prozent der Energie aus dem Wind extrahieren kann, sodass eine Turbine umso effizienter ist, je näher sie diesem Prozentsatz kommt.