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Sollten die Blätter von Windkraftanlagen flach, gebogen oder gekrümmt sein
Der Wind ist eine kostenlose Energiequelle, solange die Regierungen keine Steuern auf ihn erheben, aber der Wind ist auch eine sehr unberechenbare und unzuverlässige Energiequelle, da er sich ständig in Stärke und Richtung ändert. Um eine brauchbare Energiemenge zu erzeugen, müssen Windturbinen im Allgemeinen groß und hoch sein, aber um effizient zu arbeiten, müssen sie auch gut konzipiert und konstruiert sein, was sie auch teuer macht.
Die meisten Windturbinen, die für die Stromerzeugung konzipiert wurden, bestehen aus einem zwei- oder dreiflügeligen Propeller, der sich um eine horizontale Achse dreht. Es liegt auf der Hand, dass diese propellerähnlichen Windturbinenblätter die Energie des Windes in eine nutzbare Wellenleistung, das sogenannte Drehmoment, umwandeln. Dies wird erreicht, indem dem Wind Energie entzogen wird, indem er verlangsamt oder abgebremst wird, während er über die Blätter strömt. Die Kräfte, die den Wind abbremsen, sind gleich und entgegengesetzt zu den schubartigen Auftriebskräften, die die Blätter in Drehung versetzen.
Gleich wie ein Flugzeugflügel funktionieren Windturbinenblätter, indem sie aufgrund ihrer gekrümmten Form Auftrieb erzeugen. Die Seite mit der stärksten Krümmung erzeugt einen niedrigen Luftdruck, während die darunter liegende Luft mit hohem Druck auf die andere Seite des blattförmigen Flügels drückt. Das Nettoergebnis ist eine Auftriebskraft, die senkrecht zur Strömungsrichtung der Luft über die Turbinenschaufel wirkt. Der Trick besteht darin, das Rotorblatt so zu konstruieren, dass die richtige Menge an Auftrieb und Schub erzeugt wird, was zu einer optimalen Abbremsung der Luft und damit zu einem besseren Wirkungsgrad des Blattes führt.
Drehen sich die Propellerblätter der Turbine zu langsam, lässt sie zu viel Wind ungestört passieren und gewinnt daher nicht so viel Energie wie sie könnte. Dreht sich das Propellerblatt dagegen zu schnell, erscheint es dem Wind als eine große, flache, rotierende Scheibe, die einen großen Luftwiderstand erzeugt.
Das optimale Verhältnis der Spitzengeschwindigkeit, TSR, das als das Verhältnis zwischen der Geschwindigkeit der Rotorspitze und der Windgeschwindigkeit definiert ist, hängt also vom Profil der Rotorblattform, der Anzahl der Turbinenblätter und der Konstruktion der Propellerblätter der Windkraftanlage selbst ab. Welches ist also die beste Blattform und das beste Design für Windturbinenblätter?
Im Allgemeinen werden Windturbinenblätter so geformt, dass sie bei minimalen Baukosten die maximale Leistung aus dem Wind erzeugen. Die Hersteller von Windturbinenblättern sind jedoch stets bestrebt, ein effizienteres Blattdesign zu entwickeln. Die ständige Verbesserung des Designs von Windkraftanlagenblättern hat zu neuen Windturbinendesigns geführt, die kompakter und leiser sind und mit weniger Wind mehr Energie erzeugen können. Man geht davon aus, dass durch eine leichte Krümmung der Turbinenblätter 5 bis 10 % mehr Windenergie eingefangen werden kann und dass sie in Gebieten mit typischerweise niedrigeren Windgeschwindigkeiten effizienter arbeiten.
Windturbinenblattdesign
Welche Blattform würde also die größte Energiemenge für eine Windturbine erzeugen? – Flache Schaufeln sind die älteste Schaufelform und werden seit Tausenden von Jahren für Windmühlen verwendet, aber diese flache, breite Form wird immer seltener verwendet als andere Arten von Schaufeln. Die flachen Flügel drücken gegen den Wind und der Wind gegen die Flügel.
Die daraus resultierende Rotation ist sehr langsam, weil die Flügel, die sich nach der Energieerzeugung wieder zurückdrehen, der Energieabgabe entgegengesetzt sind. Das liegt daran, dass die Blätter wie riesige Paddel wirken, die sich in die falsche Richtung bewegen und gegen den Wind drücken, was ihnen den Namen widerstandsbasierte Rotorblätter einbrachte.
Dennoch bieten flache Rotorblätter dem Heimwerker erhebliche Vorteile im Vergleich zu anderen Windblattdesigns. Flache Rotorblätter lassen sich einfach und kostengünstig aus Sperrholz- oder Metallplatten schneiden, so dass die Blätter eine einheitliche Form und Größe haben. Sie sind auch am einfachsten zu verstehen und erfordern weniger Design- und Konstruktionskenntnisse, aber ihr Wirkungsgrad und die Leichtigkeit der Stromerzeugung sind sehr gering.
Gebogene Rotorblätter sind einem langen Flugzeugflügel (auch als Tragfläche bekannt) sehr ähnlich, der oben eine gebogene Oberfläche hat. Die gekrümmte Schaufel wird von Luft umströmt, wobei sich die Luft über die gekrümmte Oberseite der Schaufel schneller bewegt als unter der flachen Seite der Schaufel, was zu einem geringeren Druckbereich auf der Oberseite führt und daher aerodynamischen Auftriebskräften ausgesetzt ist, die eine Bewegung erzeugen.
Diese Auftriebskräfte wirken immer senkrecht zur Oberseite der gekrümmten Schaufel, was dazu führt, dass sich die Schaufel um die zentrale Nabe dreht. Je schneller der Wind weht, desto mehr Auftrieb wird am Blatt erzeugt und desto schneller dreht es sich. Die Vorteile eines gekrümmten Rotorblatts gegenüber einem flachen Blatt liegen darin, dass sich die Blattspitzen einer Windturbine aufgrund des Auftriebs schneller bewegen als der Wind und dadurch mehr Leistung und einen höheren Wirkungsgrad erzeugen. Aus diesem Grund werden Windturbinenblätter mit Auftrieb immer häufiger eingesetzt. Außerdem können selbstgefertigte PVC-Windturbinenblätter aus Abflussrohren in Standardgröße geschnitten werden, die die gekrümmte Form bereits eingebaut haben, wodurch sie die beste Blattform erhalten.
Luftströmung und Leistung von gekrümmten Blättern
Aber gekrümmte Blätter leiden auch unter dem Luftwiderstand entlang ihrer Länge, der versucht, die Bewegung des Blattes zu stoppen. Der Luftwiderstand ist im Wesentlichen die Reibung der Luft an der Schaufeloberfläche. Der Luftwiderstand steht senkrecht zum Auftrieb und verläuft in der gleichen Richtung wie der Luftstrom entlang der Schaufeloberfläche. Wir können diesen Luftwiderstand jedoch verringern, indem wir das Blatt biegen oder verdrehen und es über seine Länge verjüngen, wodurch wir das effizienteste Design für Windturbinenblätter erhalten.
Der Winkel zwischen der Richtung des Gegenwindes und der Neigung des Blattes in Bezug auf den Gegenwind wird als „Anstellwinkel“ bezeichnet. Je größer dieser Anstellwinkel wird, desto mehr Auftrieb wird erzeugt, aber wenn der Winkel noch größer wird, größer als etwa 20o, beginnt das Blatt an Auftrieb zu verlieren. Es gibt also einen idealen Anstellwinkel des Rotorblatts, der die beste Rotation erzeugt, und moderne Windturbinenrotorblätter sind tatsächlich so konstruiert, dass sie entlang ihrer Länge von einem steilen Anstellwinkel an der Wurzel bis zu einem sehr flachen Anstellwinkel an der Spitze verdreht sind.
Da die Geschwindigkeit an der Spitze eines rotierenden Blattes höher ist als an der Wurzel oder in der Mitte, sind moderne Rotorblätter entlang ihrer Länge von der Wurzel bis zur Spitze um 10 bis 20o verdreht, so dass der Anstellwinkel von einer relativ langsamen Luftbewegung in der Nähe der Wurzel zu einer viel schnelleren Bewegung an der Spitze abnimmt. Durch diese Verdrehung der Blätter wird der Anstellwinkel über die gesamte Länge maximiert, wodurch der beste Auftrieb und die beste Rotation erzielt werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Länge der Rotorblätter einer Windkraftanlage bestimmt, wie viel Windenergie eingefangen werden kann, wenn sie sich um eine zentrale Nabe drehen, und dass sich die aerodynamische Leistung von Windkraftanlagenblättern zwischen flachen und gebogenen Blättern stark unterscheidet. Flache Blätter sind billig und leicht herzustellen, haben aber einen hohen Luftwiderstand, der sie langsam und ineffizient macht.
Um den Wirkungsgrad von Windturbinenblättern zu erhöhen, müssen die Rotorblätter ein aerodynamisches Profil haben, um Auftrieb zu erzeugen und die Turbine in Drehung zu versetzen, aber gekrümmte Flügel sind schwieriger herzustellen, bieten aber eine bessere Leistung und höhere Drehgeschwindigkeiten, was sie ideal für die Erzeugung elektrischer Energie macht.
Um das beste Design für Windturbinenblätter zu erhalten, können wir die Aerodynamik und den Wirkungsgrad noch weiter verbessern, indem wir verdrehte, sich verjüngende propellerartige Rotorblätter verwenden. Durch die Verdrehung des Blattes ändert sich der Windwinkel entlang des Blattes, und die kombinierte Wirkung von Verdrehung und Verjüngung des Blattes entlang seiner Länge verbessert den Anstellwinkel, erhöht die Geschwindigkeit und den Wirkungsgrad und verringert gleichzeitig den Widerstand. Außerdem sind verjüngte Blätter stärker und leichter als gerade Blätter, da die Biegespannung reduziert wird.
Das Design von Windturbinenblättern ist entscheidend dafür, dass eine Windturbine den Erwartungen entsprechend funktioniert. Innovationen und neue Technologien, die für das Design von Windturbinenblättern verwendet werden, haben hier nicht aufgehört, da neue Formeln und Designs in Betracht gezogen werden, um ihre Leistung, Effizienz und Energieausbeute täglich zu verbessern.
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