Windkraftanlage Energieerzeugung ist ein wachsender Bereich der Stromerzeugung; Im Jahr 2020 beträgt die weltweite Windkraftkapazität insgesamt 743 GW. Da die Windkraftanlagen weniger Schadstoffe produzieren, wächst die Nachfrage nach Windstromerzeugung.
Der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage hängt von vielen Faktoren ab, wie dem Turbinentyp, der Rotorblattgeometrie, der verfügbaren Windgeschwindigkeit usw. 59% ist der maximale Wirkungsgrad, der von einer Windkraftanlage erreicht werden kann. Der praktische Wirkungsgrad einer Windkraftanlage variiert zwischen 30 -45% und kann bei Spitzenwind bis zu 50% ansteigen.
Wenn die Turbine mit 100 % Wirkungsgrad arbeitet, wird die Windgeschwindigkeit nach dem Auftreffen auf die Turbine null, was unmöglich ist.
Formel für den Wirkungsgrad von Windkraftanlagen
Die Berechnung des Wirkungsgrades ist unerlässlich; Der Wirkungsgrad hilft, die Leistung verschiedener Windkraftanlagen und die optimale Windgeschwindigkeit für maximale Effizienz zu vergleichen.
Der Leistungskoeffizient ist das gebräuchlichere Wort für den Wirkungsgrad der Windkraftanlage. Der Cp ist definiert als:
Aus der Generatorleistung lässt sich die von einer Windkraftanlage erzeugte Strommenge berechnen. Die folgende Gleichung berechnet die eingegebene kinetische Energie,
Woher,
A ist die abgedeckte Fläche der Windkraftanlage, V ist die Windgeschwindigkeit, ρ ist die Luftdichte.
Der Cp-Wert variiert in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit; daher variiert der Wirkungsgrad der Windkraftanlage während des Betriebs.
Außerdem hängt der Cp von den Turbinenteilen ab, dh den Turbinenschaufeln, Wellen und dem Generator. Daher ergibt die Multiplikation des aerodynamischen Wirkungsgrades der Schaufeln, des mechanischen Wirkungsgrades der Welle und des elektrischen Wirkungsgrades des Generators den Wert von Cp.
Maximale Effizienz der Windkraftanlage
Der maximal mögliche Wirkungsgrad der Windkraftanlage wurde 1919 von Albert Betz, einem deutschen Physiker, vorgeschlagen Einblick in den maximal möglichen Turbinenwirkungsgrad.
Die Betz-Grenze zeigt, dass 59.3 % der maximal mögliche Wirkungsgrad einer Windkraftanlage ist. Daher die Turbinenwirkungsgrad nie 59% übersteigt, einschließlich aller anderen Verluste kommt es in praktischen Fällen auf 35-45% Wert.
Nehmen wir an, der Wirkungsgrad einer Windkraftanlage beträgt 100 %, dh die Windenergieanlage verbraucht die gesamte Luftenergie. Wenn dies geschieht, wird die Luftgeschwindigkeit nach dem Passieren der Turbine Null. Das bedeutet, dass die Luft nicht strömt, was den weiteren Luftstrom behindert. Somit ist dies eine unmögliche Situation.
Wenn nun die Ein- und Austrittsluftgeschwindigkeit gleich ist, bedeutet dies, dass keine Energie entzogen wird, was der Turbine einen Wirkungsgrad von 0% verleiht. Daher liegt der maximal mögliche Turbinenwirkungsgrad irgendwo zwischen 0 und 100 %, ohne diese Grenzen.
Betz hat mit Mathematik und solider Physik bewiesen, dass der maximal mögliche Wirkungsgrad für eine Windkraftanlage 59.3% beträgt.
Arten von Windkraftanlagen und ihre Wirkungsgrade
Je nach Drehachse und Ausführung der Rotorblätter stehen unterschiedliche Windenergieanlagen zur Verfügung. Die am häufigsten verwendete Windkraftanlage ist die Windkraftanlage mit horizontaler Achse. Bei entsprechenden Bedingungen werden jedoch auch andere Arten von Turbinen verwendet. Die verschiedenen Turbinentypen sind
Lassen Sie uns die Effizienz dieser Turbinen separat besprechen,
Effizienz der Horizontalachsen-Windturbine (HAWT)
Die Windturbinen mit horizontaler Achse werden häufig für große Anlagen verwendet, bei denen genügend Platz und Wind vorhanden sind. Die Rotationsachse der Turbinenschaufel ist parallel zur Erdoberfläche.
Die Effizienz von HAWT variiert zwischen 35-50%. HAWT hat derzeit den höchsten Wirkungsgrad.
Die von einer Windkraftanlage erfasste Windenergie hängt von der von den Turbinenblättern abgedeckten Fläche ab. Für eine HAWT wird die Fläche wie folgt berechnet:
A = πL2
Dabei ist L die Länge der Klinge. Die Länge variiert zwischen 20 und 80 Metern.
Üblicherweise werden diese Windkraftanlagen für große Produktionsanlagen eingesetzt. Die gebräuchlichste horizontale Windkraftanlage hat 3 Blätter und die Farbe der Windkraftanlagen ist normalerweise weiß, um die Sichtbarkeit durch Flugzeuge zu gewährleisten.
Effizienz der Vertikalachsen-Windturbine (VAWT)
Die Windturbinen mit vertikaler Achse werden häufig für die kleine Energieerzeugung verwendet, bei der der Platz begrenzt ist. Die Rotationsachse der Rotorblätter von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse steht senkrecht zur Erdoberfläche.
Die Effizienz von VAWT ist im Vergleich zu HAWT geringer.
Wie bereits erwähnt, hängt der Wirkungsgrad von der dem Wind ausgesetzten Fläche der Turbinenschaufeln ab. Für VAWT beträgt die exponierte Fläche
A = D.H
Wobei D und H der Durchmesser und die Höhe der Klingen sind.
Es stehen verschiedene Arten von VAWT zur Verfügung. Darrius Windturbine und Savonius Windturbine sind gemeinsame VAWT. Die Effizienzen dieser beiden werden unten diskutiert.
Wirkungsgrad von Darrius-Windturbinen
Darrius Windturbine ist ein VAWT.
Der Wirkungsgrad der Darrius Windkraftanlage liegt zwischen 30-40%. Die Nutzung dieser Turbinen ist begrenzt, obwohl diese einen hohen Wirkungsgrad haben, hauptsächlich aufgrund der Unfähigkeit zum Selbststarten.
Die Darrius-Turbine ist eine auftriebsbasierte Turbine. Die Abbildung zeigt eine Darrius-Windkraftanlage. Wie unten gezeigt, ist eine Reihe von Tragflügelschaufeln auf einer vertikalen Welle montiert, die sich dreht. Bei diesen Turbinen werden die Schaufeln aufgrund der Krümmung nur auf Zug beansprucht. Das Design wurde vom französischen Ingenieur Georges Jean Marie Darrieus entwickelt. Diese werden häufig in der Nähe des menschlichen Lebensraums, auf einem Gebäude oder in der Mitte einer Straße verwendet. Der Schutz der Turbine ist jedoch unter extremen Bedingungen hart.
Effizienz von Savonius-Windenergieanlagen
Savonius Windturbine ist eine andere Art von VAWT. Leider ist der Wirkungsgrad dieser Turbinen sehr gering.
Der Wirkungsgrad der Savonius Windkraftanlage variiert zwischen 10-17%. Auch wenn der Wirkungsgrad aufgrund des einfachen Aufbaus und der Zuverlässigkeit der Turbine sehr gering ist, wird mit diesen an geeigneten Standorten wenig Strom erzeugt.
Savonius Turbine ist eine widerstandsbasierte Turbine. Die Abbildung zeigt eine reale Savonius-Windenergieanlage. Die Draufsicht auf die Klinge ist auch in der folgenden Abbildung dargestellt.
Der finnische Ingenieur Sigurd Johannes Savonius entwickelte 1922 den Savonius-Wind. Es gibt zwei Arten von Rotorblattdesigns für Savonius-Windturbinen, Barrel-Design und Eiswind-Design. Oben ist die Windkraftanlage in Draufsicht dargestellt. Die Klingen sind halbzylindrisch; die Fässer treffen sich nicht in der Mitte; sie sind von der Mitte weg, was die freie Bewegung des Windes im Blatt ermöglicht.
Blattlose Windkraftanlage Effizienz
Die blattlosen Windturbinen sind eine besondere Art von Windturbinen, diese Turbinen haben keine rotierenden Blätter und die Turbine arbeitet auf der Grundlage von wirbelinduzierten Vibrationen.
Der Wirkungsgrad einer blattlosen Windkraftanlage ist im Vergleich zu jeder anderen Windkraftanlage sehr gering. Leichtgewicht, Wirtschaftlichkeit und geringer Wartungsaufwand sind jedoch die Vorteile der blattlosen Windkraftanlage. Außerdem benötigt die Turbine weniger Platz; somit können mehr Turbinen installiert werden als die übliche Windkraftanlage.
Wirkungsgrad von Archimedes-Windturbinen
Archimedes Windturbine ist eine neu entwickelte Technologie. Dies sind kleine Strukturen und können auf Dächern, auf Straßen usw. verwendet werden.
Im Vergleich zu herkömmlichen Windkraftanlagen sind Archimedes Windkraftanlagen effizienter. Darüber hinaus reduziert die Turbine viele andere Probleme im Zusammenhang mit herkömmlichen Turbinen.
Beispielsweise ist der Lärm von Archimedes-Windturbinen im Vergleich zu herkömmlichen Turbinen deutlich geringer. Die Form der Turbine ist der Spirale einer Nautilus-Schale nachempfunden. Diese Form ermöglicht es der Turbine, die Turbinenstirnfläche entsprechend der Windströmung selbst anzupassen.
Faktoren, die die Effizienz von Windkraftanlagen beeinflussen
Der Wirkungsgrad von Windenergieanlagen wurde bereits oben diskutiert, daher sind die Faktoren, die den Turbinenwirkungsgrad beeinflussen,
- Die Windgeschwindigkeit.
- Die Luftdichte.
- Klingenradius.
- Typ der Windkraftanlage
Wirkungsgradvergleich von Windkraftanlagen
Lassen Sie uns hier den Wirkungsgrad der Windkraftanlage abschließen. Der Wirkungsgrad der Windkraftanlage ist unten tabellarisch aufgeführt.
| Turbine | effizienz |
| Windkraftanlage mit horizontaler Achse | 30-45 |
| Windkraftanlage mit vertikaler Achse | 10-40 |
| Darrius Windkraftanlage | 30-40 |
| Savonius-Windkraftanlage | 10-17 |
| blattlose Windkraftanlagen | Sehr wenig |
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