Wie Funktioniert Windkraft?

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Wenn sich luft schnell bewegt, bedeutet diese bewegung kinetische energie, die eingefangen werden kann. Erfahren sie, wie eine möglichst einfache windenergieanlage funktioniert.

Es ist manchmal schwer, sich Luft als Flüssigkeit vorzustellen. Es scheint nur so… unsichtbar. Luft ist jedoch eine Flüssigkeit wie jede andere, außer dass ihre Partikel in Gasform anstatt in Flüssigkeit vorliegen. Und wenn sich Luft in Form von Wind schnell bewegt, bewegen sich diese Teilchen schnell. Bewegung bedeutet kinetische Energie, die aufgefangen werden kann, genauso wie die Energie in fließendem Wasser von der Turbine in einem Wasserkraftwerk aufgenommen werden kann. Im Falle eines Windelektrische Turbinesind die Turbinenschaufeln so ausgelegt, dass sie die kinetische Energie im Wind aufnehmen. Der Rest ist nahezu identisch mit einem Wasserkraftwerk: Wenn die Turbinenschaufeln Windenergie aufnehmen und sich zu bewegen beginnen, drehen sie eine Welle, die von der Nabe des Rotors zu einem Generator führt. Der Generator wandelt diese Rotationsenergie in Elektrizität um. Im Wesentlichen geht es bei der Stromerzeugung aus Wind darum, Energie von einem Medium auf ein anderes zu übertragen.

Windenergie beginnt bei der Sonne. Wenn die Sonne ein bestimmtes Gebiet aufheizt, absorbiert die Luft um diese Landmasse etwas von dieser Wärme. Bei einer bestimmten Temperatur steigt die heißere Luft sehr schnell an, da ein bestimmtes Volumen heißer Luft leichter ist als ein gleiches Volumen kühlerer Luft. Schnellere (heißere) Luftpartikel üben einen höheren Druck aus als langsamer bewegte Partikel. Daher dauert es weniger, um den normalen Luftdruck auf einer bestimmten Höhe zu halten (siehe Heißluftballons, um mehr über Lufttemperatur und -druck zu erfahren). Wenn diese leichtere heiße Luft plötzlich aufsteigt, strömt kühlere Luft schnell hinein, um die Lücke zu füllen, die die heiße Luft hinterlässt. Die Luft, die hereinströmt, um die Lücke zu füllen, ist Wind.

Vielen Dank Danke an Willy Cheng für seine Unterstützung bei diesem Artikel.

Wenn Sie ein Objekt wie ein Rotorblatt in den Weg dieses Windes platzieren, drückt der Wind darauf und überträgt einen Teil seiner eigenen Bewegungsenergie auf das Blatt. So gewinnt eine Windkraftanlage Energie aus dem Wind. Das gleiche passiert mit einem Segelboot. Wenn Luft auf die Barriere des Segels drückt, bewegt sich das Boot. Der Wind hat seine eigene Bewegungsenergie auf das Segelboot übertragen.

Im nächsten Abschnitt betrachten wir die verschiedenen Teile einer Windkraftanlage.

Teile einer Windkraftanlage

Geschichte der Windenergie Bereits 3000 v.Chr. Nutzten die Menschen in Ägypten zum ersten Mal die Windenergie in Form von Segelbooten. Segel fingen die Energie im Wind ein, um ein Boot über das Wasser zu ziehen. Die ersten Windmühlen, die zum Mahlen von Getreide verwendet wurden, entstanden entweder im Jahr 2000 v. Chr. im alten Babylon oder 200 v.Chr. im alten Persien, je nachdem, wen Sie fragen. Diese frühen Geräte bestanden aus einem oder mehreren vertikal montierten Holzbalken, auf deren Boden sich ein Schleifstein befand, der an einer sich drehenden Welle befestigt war, die sich mit dem Wind drehte. Das Konzept der Verwendung von Windenergie zum Mahlen von Getreide verbreitete sich rasch im Nahen Osten und war weit verbreitet, lange bevor die erste Windmühle in Europa erschien. Ab dem 11. Jahrhundert nach Christus brachten europäische Kreuzfahrer das Konzept mit nach Hause, und die niederländische Windmühle, mit der die meisten von uns vertraut sind, wurde geboren.
Die moderne Entwicklung der Windenergietechnologie und ihrer Anwendungen war in den 1930er Jahren in vollem Gange, als schätzungsweise 600.000 Windmühlen ländliche Gebiete mit Strom und Wasserpumpen versorgten. Nachdem sich die Verteilung von Elektrizität auf landwirtschaftliche Betriebe und ländliche Städte ausgedehnt hatte, begann die Nutzung der Windenergie in den Vereinigten Staaten nachzulassen. Nach dem Ölknappheit in den USA in den frühen 70er Jahren zog sie jedoch wieder an. Forschung und Entwicklung schwankten in den letzten 30 Jahren mit den Interessen und Steueranreizen des Bundes. In der Mitte der 1980er Jahre hatten Windenergieanlagen eine typische maximale Leistung von 150 kW. Im Jahr 2006 haben kommerzielle Turbinen im Nutzlastbereich üblicherweise eine Nennleistung von über 1 MW und stehen mit einer Leistung von bis zu 4 MW zur Verfügung.

Die einfachste mögliche Windenergieanlage besteht aus drei wesentlichen Teilen:

  • Rotorblätter - Die Klingen sind im Wesentlichen die Segel des Systems. In ihrer einfachsten Form wirken sie als Windbarriere (modernere Blattkonstruktionen gehen über die Barrierenmethode hinaus). Wenn der Wind die Flügel zwingt, sich zu bewegen, hat sie einen Teil ihrer Energie auf den Rotor übertragen.
  • Welle - Die Windturbinenwelle ist mit der Rotormitte verbunden. Wenn sich der Rotor dreht, dreht sich auch die Welle. Auf diese Weise überträgt der Rotor seine mechanische Rotationsenergie auf die Welle, die am anderen Ende in einen elektrischen Generator eintritt.
  • Generator - Grundsätzlich ist ein Generator ein recht einfaches Gerät. Es nutzt die Eigenschaften der elektromagnetischen Induktion, um elektrische Spannung zu erzeugen - ein Unterschied in der elektrischen Ladung. Spannung ist im Wesentlichen elektrischer Druck - es ist die Kraft, durch die Elektrizität oder elektrischer Strom von einem Punkt zum anderen bewegt wird. Die erzeugende Spannung erzeugt also Strom. Ein einfacher Generator besteht aus Magneten und einem Leiter. Der Leiter ist typischerweise ein gewickelter Draht. Innerhalb des Generators ist die Welle mit einer Anordnung von Permanentmagneten verbunden, die die Drahtspule umgibt. Wenn bei elektromagnetischer Induktion ein Leiter von Magneten umgeben ist und sich einer dieser Teile relativ zu dem anderen dreht, induziert er eine Spannung im Leiter. Wenn der Rotor die Welle dreht, dreht die Welle die Anordnung von Magneten und erzeugt Spannung in der Drahtspule. Diese Spannung treibt den elektrischen Strom (typischerweise Wechselstrom oder Wechselstrom) zur Verteilung über Stromleitungen aus. (Siehe Funktionsweise von Elektromagneten, um mehr über elektromagnetische Induktion zu erfahren, und Funktionsweise von Wasserkraftanlagen, um mehr über Turbinengeneratoren zu erfahren.)

Nun, da wir uns ein vereinfachtes System angesehen haben, gehen wir zur modernen Technologie über, die Sie heute in Windparks und ländlichen Hinterhöfen sehen. Es ist etwas komplexer, aber die zugrunde liegenden Prinzipien sind die gleichen.

Moderne Windkrafttechnologie

Wenn Sie über moderne Windenergieanlagen sprechen, betrachten Sie zwei Hauptkonstruktionen: die horizontale Achse und die vertikale Achse. Windturbinen mit vertikaler Achse (VAWTs) sind ziemlich selten. Die einzige, die sich derzeit in kommerzieller Produktion befindet, ist die Darrieus-Turbine, die wie ein Schneebesen aussieht.

Windturbinen mit vertikaler Achse


Foto mit freundlicher Genehmigung von NREL (links) und Solwind Ltd
Vertikalachsen-Windkraftanlagen (links: Darrieus-Turbine)

Bei einem VAWT ist die Welle auf einer vertikalen Achse senkrecht zum Boden montiert. VAWTs sind im Gegensatz zu ihren Gegenstücken auf der horizontalen Achse immer auf den Wind ausgerichtet, so dass keine Anpassung erforderlich ist, wenn sich die Windrichtung ändert. Ein VAWT kann sich jedoch nicht von alleine bewegen - es braucht einen Schub von seiner elektrischen Anlage, um loszulegen. Anstelle eines Turms werden normalerweise Abspannseile zur Unterstützung verwendet, sodass die Rotorhöhe geringer ist. Eine geringere Höhe bedeutet einen langsameren Wind aufgrund von Bodenstörungen. Daher sind VAWTs im Allgemeinen weniger effizient als HAWTs. Auf der Oberseite befinden sich alle Geräte auf Bodenhöhe, um eine einfache Installation und Wartung zu ermöglichen. Dies bedeutet jedoch einen größeren Fußabdruck für die Turbine, was in landwirtschaftlichen Gebieten ein großer Nachteil ist.

Abbildung eines Darrieus-Designs VAWT


Darrieus-Design VAWT

VAWTs können für kleine Turbinen und zum Pumpen von Wasser in ländlichen Gebieten verwendet werden, alle kommerziell produzierten Windenergieanlagen im Nutzlastbereich Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (HAWTs).

ein Windpark in Kalifornien


Foto mit freundlicher Genehmigung von GNU; Fotograf: Kit Conn
Windpark in Kalifornien

Wie der Name schon sagt, ist die HAWT-Welle horizontal parallel zum Boden montiert. HAWTs müssen sich mithilfe eines Gierverstellmechanismus ständig auf den Wind ausrichten. Das Giersystem besteht typischerweise aus Elektromotoren und Getrieben, die den gesamten Rotor in kleinen Schritten nach links oder rechts bewegen. Die elektronische Steuerung der Turbine liest die Position eines Windfahnengeräts (entweder mechanisch oder elektronisch) und passt die Position des Rotors an, um die meiste verfügbare Windenergie zu erfassen. HAWTs verwenden einen Turm, um die Turbinenkomponenten auf eine für Windgeschwindigkeit optimale Höhe zu heben (und damit die Schaufeln den Boden reinigen können), und beanspruchen nur sehr wenig Bodenfläche, da fast alle Komponenten bis zu 80 Meter im Wasser sind Luft.

Wie funktioniert Windkraft?: sich


Große HAWT-Komponenten:

  • Rotorblätter - Fangen Sie die Windenergie ein und wandeln Sie sie in Rotationsenergie der Welle um
  • Welle - überträgt Rotationsenergie in den Generator
  • Gondel - Gehäuse, das die hält Getriebe (erhöht die Drehzahl der Welle zwischen Rotornabe und Generator), Generator {nutzt die Rotationsenergie der Welle zur Elektrizitätserzeugung mittels Elektromagnetismus), elektronische Kontrolleinheit (überwacht das System, schaltet die Turbine im Falle einer Fehlfunktion ab und steuert den Giermechanismus) Giersteuerung (bewegt den Rotor in Windrichtung) und bremsen (Stoppen Sie die Drehung der Welle bei Stromüberlastung oder Systemausfall).
  • Turm - unterstützt den Rotor und die Gondel und hebt den gesamten Aufbau in eine höhere Höhe, wo die Blätter den Boden sicher reinigen können
  • elektrische Ausrüstung - transportiert Strom vom Generator durch den Turm und steuert viele Sicherheitselemente der Turbine

Von Anfang bis Ende sieht der Prozess der Stromerzeugung aus Wind - und die Bereitstellung des Stroms an Menschen, die ihn benötigen - in etwa so aus:



Turbinen-Aerodynamik

Windturbine

Im Gegensatz zu den altmodischen holländischen Windmühlen, die sich zumeist auf die Windkraft stützten, um die Flügel in Bewegung zu setzen, sind moderne Turbinen anspruchsvoller aerodynamisch Prinzipien, um die Energie des Windes am effektivsten zu erfassen. Die beiden primären aerodynamischen Kräfte, die bei Rotoren von Windkraftanlagen wirken, sind Aufzug, die senkrecht zur Windströmungsrichtung wirkt; und ziehen, die parallel zur Windrichtung wirkt.

Turbinenschaufeln haben die Form von Flugzeugflügeln - sie verwenden eine Schaufelblatt Design. In einem Strömungsprofil ist eine Oberfläche der Schaufel etwas abgerundet, während die andere relativ flach ist. Lift ist ein ziemlich komplexes Phänomen und kann in der Tat einen Doktortitel erfordern. in Mathematik oder Physik zu verstehen. Bei einer vereinfachten Erläuterung des Auftriebs muss sich der Wind jedoch, wenn er über die abgerundete Windrichtung des Blatts weht, schneller bewegen, um das Ende des Blatts rechtzeitig zu erreichen, um dem Wind zu begegnen, der über die flache Blattseite des Blatts ( in die Richtung blicken, aus der der Wind weht). Da sich schneller bewegende Luft in der Atmosphäre tendenziell erhöht, endet die gekrümmte Oberfläche vor dem Wind mit einer Niederdrucktasche direkt darüber. Der Niederdruckbereich saugt die Klinge in Richtung Aufwind an, ein Effekt, der als "Anheben" bezeichnet wird. Auf der Aufwindseite der Klinge bewegt sich der Wind langsamer und erzeugt einen Bereich mit höherem Druck, der auf die Klinge drückt und versucht, sie zu verlangsamen. Wie bei der Konstruktion eines Flugzeugflügels ist ein hohes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand für die Konstruktion einer effizienten Turbinenschaufel unerlässlich. Turbinenschaufeln sind verdreht, so dass sie immer einen Winkel darstellen können, der das ideale Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand ausnutzt. Unter Funktionsweise von Flugzeugen erfahren Sie mehr über Auftrieb, Widerstand und die Aerodynamik eines Strömungsprofils.

Die Aerodynamik ist nicht die einzige Konstruktionsfrage, die bei der Schaffung einer effektiven Windkraftanlage zum Tragen kommt. Größe Wichtig - je länger die Turbinenschaufeln (und damit der Durchmesser des Rotors), desto mehr Energie kann eine Turbine aus dem Wind aufnehmen und desto größer ist die Stromerzeugungskapazität. Im Allgemeinen führt eine Verdoppelung des Rotordurchmessers zu einer Vervierfachung der Energieabgabe.In einigen Fällen kann jedoch in einem Bereich mit geringer Windgeschwindigkeit ein Rotor mit kleinerem Durchmesser letztendlich mehr Energie produzieren als ein größerer Rotor, da bei einem kleineren Aufbau weniger Windkraft erforderlich ist, um den kleineren Generator, also die Turbine, durchzudrehen kann fast immer voll ausgelastet sein. Turmhöhe ist auch ein wesentlicher Faktor für die Produktionskapazität. Je höher die Turbine, desto mehr Energie kann sie aufnehmen, da die Windgeschwindigkeiten mit zunehmender Höhe zunehmen. Die Bodenreibung und Bodenobjekte unterbrechen die Strömung des Windes. Wissenschaftler schätzen, dass die Windgeschwindigkeit mit jeder Verdoppelung der Höhe um 12 Prozent zunimmt.

Rechenleistung

Um die Leistung zu berechnen, die eine Turbine tatsächlich aus dem Wind erzeugen kann, müssen Sie die Windgeschwindigkeit am Turbinenstandort und die Nennleistung der Turbine kennen. Die meisten großen Turbinen erzeugen ihre maximale Leistung bei Windgeschwindigkeiten von etwa 15 Metern pro Sekunde. Bei konstanten Windgeschwindigkeiten bestimmt der Durchmesser des Rotors, wie viel Energie eine Turbine erzeugen kann. Denken Sie daran, dass mit zunehmendem Rotordurchmesser auch die Höhe des Turms zunimmt, was zu einem schnelleren Wind führt.

Rotorgröße und maximale Ausgangsleistung
Rotordurchmesser (Meter)Leistung (kW)
1025
17100
27225
33300
40500
44600
48750
541000
641500
722000
802500
Quellen: Dänischer Windindustrieverband, American Wind Energy Association

Bei 33 Meilen pro Stunde erzeugen die meisten großen Turbinen ihre Nennleistung, und bei 20 Metern pro Sekunde werden die meisten großen Turbinen stillgelegt. Es gibt eine Reihe von Sicherheitssysteme Dies kann eine Turbine ausschalten, wenn Windgeschwindigkeiten die Struktur bedrohen, einschließlich eines bemerkenswert einfachen Schwingungssensors, der in einigen Turbinen verwendet wird und im Wesentlichen aus einer Metallkugel besteht, die an einer Kette befestigt ist und auf einem winzigen Sockel steht. Wenn die Turbine über einer bestimmten Schwelle zu vibrieren beginnt, fällt die Kugel vom Sockel, zieht an der Kette und löst ein Herunterfahren aus.

Wahrscheinlich ist das am häufigsten aktivierte Sicherheitssystem in einer Turbine das "Bremssystem, die durch über der Schwelle liegende Windgeschwindigkeiten ausgelöst wird. Diese Setups verwenden ein Leistungssteuerungssystem, das bei zu hohen Windgeschwindigkeiten im Wesentlichen auf die Bremse tritt und dann, wenn der Wind unter 45 km / h zurückfällt, die Bremsen "lösen". Moderne Großturbinenkonstruktionen verwenden verschiedene Arten von Bremssystemen:

  • Tonhöhenregelung - Die elektronische Steuerung der Turbine überwacht die Leistung der Turbine. Bei Windgeschwindigkeiten über 45 Meilen pro Stunde ist die Leistung zu hoch. An diesem Punkt weist der Controller die Blätter an, ihre Neigung so zu ändern, dass sie mit dem Wind nicht ausgerichtet werden. Dies verlangsamt die Rotation der Klingen. Pitch-gesteuerte Systeme erfordern, dass der Montagewinkel der Blätter (am Rotor) einstellbar ist.
  • Passive Stallsteuerung - Die Klingen sind in einem festen Winkel am Rotor montiert, jedoch so ausgelegt, dass die Drehungen der Klingen selbst die Bremsen betätigen, sobald der Wind zu schnell wird. Die Schaufeln sind so abgewinkelt, dass Winde oberhalb einer bestimmten Geschwindigkeit Turbulenzen auf der Aufwindseite der Schaufel verursachen und ein Abwürgen verursachen. Einfach ausgedrückt, tritt ein aerodynamischer Stillstand auf, wenn der dem ankommenden Wind zugewandte Winkel der Schaufel so steil wird, dass sie die Auftriebskraft aufhebt und die Geschwindigkeit der Schaufeln verringert.
  • Aktive Strömungskontrolle - Die Schaufeln in dieser Art von Leistungssteuerungssystem sind wie die Schaufeln in einem pitchgesteuerten System neigungsfähig. Ein aktives Stillstandsystem liest die Leistung so wie ein Pitch-gesteuertes System, aber anstatt die Klingen aus dem Wind zu schlagen, werden sie zum Stall gebracht.

(Siehe Petester's Basic Aerodynamics für eine gute Erklärung sowohl des Auftriebs als auch des Stillstands.)

Weltweit produzieren mindestens 50.000 Windenergieanlagen jährlich insgesamt 50 Milliarden Kilowattstunden (kWh). Im nächsten Abschnitt untersuchen wir die Verfügbarkeit von Windressourcen und wie viel Strom Windturbinen tatsächlich produzieren können.

Windkraftressourcen und Ökonomie

Ein Watt?
  • Watt (W) - Stromerzeugungskapazität
    1 Megawatt (MW, 1 Million Watt) Windenergie kann in einem Jahr 2,4 Millionen bis 3 Millionen Kilowattstunden Strom erzeugen.
  • Kilowattstunde (kWh) - ein Kilowatt (kW, 1.000 Watt) Strom, der innerhalb einer Stunde erzeugt oder verbraucht wird
Weitere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von Elektrizität.

Auf globaler Ebene erzeugen Windenergieanlagen derzeit ungefähr so ​​viel Strom wie acht große Kernkraftwerke. Dazu gehören nicht nur Turbinen im Großmaßstab, sondern auch kleine Turbinen, die Strom für Einzelwohnungen oder Unternehmen erzeugen (manchmal in Verbindung mit Photovoltaik-Solarenergie genutzt). Eine kleine Turbine mit einer Leistung von 10 kW kann bis zu 16.000 kWh pro Jahr erzeugen, und ein typischer US-Haushalt verbraucht in einem Jahr etwa 10.000 kWh.

Eine typische große Windkraftanlage kann unter idealen Bedingungen bis zu 1,8 MW Strom oder 5,2 Millionen KWh pro Jahr erzeugen - genug, um fast 600 Haushalte mit Strom zu versorgen. Atom- und Kohlekraftwerke können jedoch billiger Strom erzeugen als Windkraftanlagen. Warum also Windenergie nutzen? Die zwei wichtigsten Gründe für die Verwendung von Wind zur Stromerzeugung sind die naheliegendsten: Windkraft ist sauber, und sein verlängerbar. Es setzt keine schädlichen Gase wie CO2 und Stickoxide in die Atmosphäre frei wie Kohle (siehe Funktionsweise der globalen Erwärmung), und es besteht keine Gefahr, dass dem Wind bald der Wind ausgeht. Mit der Windenergie ist auch die Unabhängigkeit verbunden, da jedes Land sie ohne ausländische Unterstützung zu Hause erzeugen kann. Und eine Windkraftanlage kann Strom in abgelegene Gebiete bringen, die nicht vom zentralen Stromnetz versorgt werden.

Aber es gibt auch Nachteile. Windenergieanlagen können nicht wie alle anderen Kraftwerkstypen mit 100 Prozent Leistung laufen, da die Windgeschwindigkeiten schwanken.Windenergieanlagen können laut sein, wenn Sie in der Nähe einer Windkraftanlage wohnen, sie können für Vögel und Fledermäuse gefährlich sein, und in dicht besiedelten Wüstengebieten besteht die Gefahr von Landerosion, wenn Sie den Boden für die Installation von Turbinen ausheben. Da Windkraft eine relativ unzuverlässige Energiequelle ist, müssen Betreiber von Windkraftanlagen das System mit einer geringen Menge zuverlässiger, nicht erneuerbarer Energie für Zeiten unterstützen, in denen die Windgeschwindigkeit nachlässt. Einige argumentieren, dass die Verwendung von unreiner Energie zur Unterstützung der Produktion von sauberer Energie die Vorteile aufhebt, aber die Windindustrie behauptet, dass die Menge an unreiner Energie, die zur Aufrechterhaltung einer stabilen Stromversorgung in einem Windsystem erforderlich ist, viel zu gering ist, um sie zu besiegen die Vorteile der Erzeugung von Windkraft.

Windkraftnutzung in den USA

Windkraft

Abgesehen von den potenziellen Nachteilen verfügen die Vereinigten Staaten über eine gute Anzahl installierter Windenergieanlagen, die im Jahr 2006 eine Gesamtleistung von mehr als 9.000 MW erzeugen. Diese Kapazität wird in der Größenordnung von 25 Milliarden kWh Strom erzeugt, was sich nach viel anhört, aber tatsächlich weniger ist 1 Prozent des im Land erzeugten Stroms pro Jahr. Seit 2005 ist die Stromerzeugung in den USA wie folgt aufgeteilt:

  • Kohle: 52%
  • Nuklear: 20%
  • Erdgas: 16%
  • Wasserkraft: 7%
  • Andere (einschließlich Wind, Biomasse, Geothermie und Solar): 5%

Quelle: American Wind Energy Association

Die derzeitige Gesamtstromerzeugung in den Vereinigten Staaten beträgt jährlich 3,6 Billionen kWh. Wind hat das Potenzial, weit mehr als 1 Prozent dieses Stroms zu erzeugen. Nach Angaben der American Wind Energy Association beträgt das geschätzte Windenergiepotenzial in den USA etwa 10,8 Billionen kWh pro Jahr. Dies entspricht etwa der Energiemenge in 20 Milliarden Barrel Öl (die derzeitige jährliche jährliche Ölversorgung). Um die Windenergie in einem bestimmten Gebiet realisierbar zu machen, sind für kleine Turbinen Mindestwindgeschwindigkeiten von 3 m / s und für große Turbinen 6 m / s erforderlich. Diese Windgeschwindigkeiten sind in den Vereinigten Staaten üblich, obwohl das meiste davon ungespannt ist.

Wenn es um Windkraftanlagen geht, ist die Platzierung alles. Zu wissen, wie viel Wind ein Gebiet hat, wie hoch die Geschwindigkeiten sind und wie lange diese Geschwindigkeiten reichen, sind die entscheidenden Faktoren für den Bau eines effizienten Windparks. Die kinetische Energie im Wind steigt proportional zu ihrer Geschwindigkeit exponentiell an, so dass ein kleiner Anstieg der Windgeschwindigkeit tatsächlich ein starker Anstieg des Leistungspotenzials ist. Als Faustregel gilt, dass mit einer Verdoppelung der Windgeschwindigkeit das Kraftpotential um das Achtfache zunimmt. Theoretisch wird eine Turbine in einem Gebiet mit durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten von 26 Meilen pro Stunde tatsächlich achtmal mehr Strom erzeugen als eine Anlage, in der die Windgeschwindigkeiten durchschnittlich 40 km / h betragen. Es ist "theoretisch", weil es unter realen Bedingungen eine Begrenzung gibt, wie viel Energie eine Turbine dem Wind entziehen kann. Es wird Betz-Limit genannt und liegt bei 59 Prozent. Eine kleine Erhöhung der Windgeschwindigkeit führt jedoch immer noch zu einer deutlichen Leistungssteigerung.

Windparks

Windpark


Foto mit freundlicher Genehmigung der General Electric Company
Windpark Raheenleagh

Wie in den meisten anderen Bereichen der Stromerzeugung kommt es bei der Gewinnung von Energie aus dem Wind zu einer hohen Effizienz. Gruppen von großen Turbinen, genannt Windparks oder Windkraftanlagen sind die kosteneffizienteste Nutzung der Windenergieleistung. Die gebräuchlichsten Windenergieanlagen im Energieversorgungsbereich haben eine Leistung zwischen 700 KW und 1,8 MW. Sie sind in Gruppen zusammengefasst, um den größtmöglichen Strom aus den verfügbaren Windressourcen zu gewinnen. In ländlichen Gebieten mit hohen Windgeschwindigkeiten sind sie normalerweise weit voneinander entfernt, und die geringe Bodenfläche der HAWTs führt dazu, dass die landwirtschaftliche Nutzung des Landes nahezu unberührt bleibt. Windparks haben Kapazitäten von wenigen MW bis zu mehreren hundert MW. Die größte Windkraftanlage der Welt ist der Raheenleagh Windpark vor der Küste Irlands. Bei voller Kapazität (derzeit mit Teilkapazität) wird es 200 Turbinen mit einer Gesamtleistung von 520 MW haben und fast 600 Millionen USD kosten.

In den letzten zwei Jahrzehnten sind die Kosten für die Windenergie im Versorgungssektor aufgrund technologischer und konstruktiver Fortschritte in der Turbinenproduktion und -installation drastisch gesunken. In den frühen achtziger Jahren kostete Windkraft etwa 30 Cent pro kWh. Windenergieanlagen kosten im Jahr 2006 nur 3 bis 5 Cent pro kWh, wenn der Wind besonders reichlich ist. Je höher die Windgeschwindigkeit über einen bestimmten Zeitraum in einem bestimmten Turbinenbereich ist, desto niedriger sind die Stromkosten, die die Turbine erzeugt. Durchschnittlich betragen die Kosten für Windkraft in den Vereinigten Staaten etwa 4 bis 10 Cent pro kWh.

Energiekostenvergleich
RessourcentypDurchschnittskosten (Cent pro kWh)
Wasserkraft2-5
Nuklear3-4
Kohle4-5
Erdgas4-5
Wind4-10
Geothermie5-8
Biomasse8-12
Wasserstoff-Brennstoffzelle10-15
Solar15-32
Quellen: American Wind Energy Association, Windblog, Stanford School of Earth Sciences

Viele große Energieunternehmen bieten "grüne Preisgestaltung"Programme, bei denen die Kunden mehr für die Nutzung der Windenergie als für die Nutzung der Windenergie aus" Systemstrom "zahlen müssen. Dabei handelt es sich um den Pool aller in der Region erzeugten Elektrizität, erneuerbarer und nicht erneuerbarer Energie Wenn Sie in der Nähe eines Windparks wohnen, kann der Strom, den Sie in Ihrem Haus verbrauchen, tatsächlich durch Wind erzeugt werden. Häufig ist der höhere Preis für die Windenergie verantwortlich, der Strom, den Sie in Ihrem Haus verbrauchen Die Stromerzeugung kommt immer noch aus der Systemstromversorgung: In Staaten, in denen der Energiemarkt dereguliert wurde, können die Verbraucher möglicherweise "grünen Strom" direkt von einem Anbieter für erneuerbare Energien beziehen Wind oder andere erneuerbare Quellen.

Die Implementierung einer kleinen Windkraftanlage für Ihre eigenen Bedürfnisse ist eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass die von Ihnen verwendete Energie sauber und erneuerbar ist. Eine Anlage für Privat- oder Geschäftsturbinen kann zwischen 5.000 und 80.000 US-Dollar kosten. Ein umfangreiches Setup kostet viel mehr. Mit einer einzigen 1,8-MW-Turbine können bis zu 1,5 Millionen US-Dollar installiert werden. Dies beinhaltet nicht die Kosten für Land, Übertragungsleitungen und sonstige Infrastruktur, die mit einer Windkraftanlage verbunden sind. Insgesamt kosten Windparks rund 1.000 US-Dollar pro kW Leistung. Ein Windpark mit sieben 1,8-MW-Turbinen hat also rund 12,6 Millionen US-Dollar. Die "Amortisationszeit" für eine große Windkraftanlag


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