Welche Arten von Windkraftanlagen sind üblich?

Die gängigen Windkraftanlagen werden hauptsächlich anhand der Drehrichtung ihrer Rotationsachse in zwei Kategorien unterteilt: Windkraftanlagen mit horizontaler Achse und Windkraftanlagen mit vertikaler Achse. Die horizontale Achse ist derzeit der am weitesten verbreitete Anwendungsbereich. Im Folgenden werden die wichtigsten Klassifizierungen und Merkmale aufgeführt:

1. Horizontalachsen-Windkraftanlage (HAWT)
Die Rotationsachse der Windkraftanlage verläuft parallel zum Boden, und die Rotorblätter ähneln Flugzeugpropellern. Mehr als 95 % der weltweit installierten Windkraftkapazität werden durch Windkraft erzeugt.

Haupttypen:

1. Luvtyp

Die Windkraftanlage dreht sich vor dem Turm und ist dem Wind zugewandt, weshalb ein Giersystem benötigt wird, um dem Wind entgegenzuwirken.

Vorteile: Reduzierung des Turmschatteneffekts (Beeinträchtigung des Luftstroms durch den Turm), hohe Effizienz.

Nachteile: Es benötigt eine Giersteuerung und hat eine komplexe Struktur.

Die überwiegende Mehrheit der modernen Großwindkraftanlagen (über 1,5 MW) verwendet diese Bauart.

2. Abwindtyp

Die Windkraftanlage befindet sich hinter dem Turm und kann sich automatisch an den Wind anpassen (ohne dass ein aktives Giersystem erforderlich ist).

Nachteil: Der Schattenwurf des Turms verursacht Spannungsschwankungen in den Rotorblättern, wodurch diese anfällig für Materialermüdung werden.

Wird seltener bei frühen oder kleinen Windkraftanlagen eingesetzt.

2. Vertikalachsen-Windkraftanlage (VAWT)
Die Rotationsachse der Windkraftanlage steht senkrecht zum Boden und kann Wind aus jeder Richtung ohne Gierregelungssystem nutzen. Derzeit wird sie hauptsächlich für dezentrale Kleinstromerzeugung oder in speziellen Anwendungsfällen eingesetzt.

Haupttypen:

Darrieus-Typ

Die Blätter sind gekrümmt (etwa in Form eines „Φ“) und rotieren durch aerodynamischen Auftrieb.

Vorteile: Hohe Geschwindigkeit und hohe Effizienz.

Nachteil: Kann nicht selbstständig starten, benötigt Hilfsausrüstung; Die strukturelle Belastung ist hoch, was eine Skalierung erschwert.

Savonius-Typ

Die Rotorblätter sind S-förmig und tonnenförmig und werden durch den Windwiderstand angetrieben.

Vorteile: Hohes Anlaufdrehmoment, leicht zu starten bei niedrigen Windgeschwindigkeiten, einfache Konstruktion.

Nachteile: Geringer Wirkungsgrad (weniger als 15 %), werden üblicherweise in Anemometern oder kleinen Ladegeräten verwendet.

H-förmig (gerade Klinge Darius)

Durch die Kombination von geraden Klingen und Stützstangen wird eine einfache Fertigung ermöglicht.

In den letzten Jahren hat sich der Fokus verstärkt auf die Gebäudeintegration bzw. auf die Erprobung von schwimmenden Offshore-Windkraftanlagen gerichtet.

3. Klassifizierung nach Anwendungsszenario und Umfang
Große, netzgekoppelte Windkraftanlage

Die Leistung beträgt üblicherweise ≥ 1 MW, der Durchmesser der Windkraftanlage liegt zwischen 80 und 200 Metern und sie wird für Windparks eingesetzt.

Der gängigste Rotortyp ist der dreiflügelige Horizontalachsen-Upwind-Rotor mit ausgereifter Technologie.

Dezentrale kleine und mittelgroße Windkraftanlagen

Leistung ≤ 100 kW, Einsatzgebiete: ländliche Gebiete, Kommunikationsbasisstationen, landwirtschaftliche Betriebe usw.

Einschließlich horizontaler oder vertikaler Achsen (wie z. B. H-Typ, Savonius-Typ).

Offshore-Windkraftanlage

Bei den meisten handelt es sich um große Windkraftanlagen mit horizontaler Achse (5-15 MW oder mehr) mit speziellen Fundamentkonstruktionen (Einzelpfahlgründung, Schwimmgründung usw.).

Es werden korrosions- und taifunbeständige Konstruktionen benötigt, was zu hohen Wartungskosten führt.

Besonderer Fan

Diffusorverstärkter Typ: Die haubenförmige Struktur beschleunigt den Luftstrom, verbessert die Effizienz, hat aber einen hohen Preis.

Höhenwindkraft: Nutzung von Drachen oder Heliumballons zum Transport von Generatoren, befindet sich noch im experimentellen Stadium.

4. Technologische Trends und neue Designs
Im Megamaßstab: Die Leistung einzelner Offshore-Windkraftanlagen hat 15-18 MW erreicht, bei Rotorblattlängen von über 120 Metern.

Schwimmendes Fundament: geeignet für Tiefsee-Windkraft, wobei die Windkraftanlagen auf schwimmenden Plattformen installiert werden.

Hybrid-Vertikalachsenkonstruktion: Durch die Kombination der Vorteile von Auftrieb und Widerstand werden Anfahrleistung und Effizienz verbessert.

Intelligenz: Nutzung von Sensoren und KI-Algorithmen zur Optimierung von Gier- und Blattwinkeln und Anpassung an komplexe Windbedingungen.

5. Zusammenfassung und Vergleich
1. Dreiflügelige Windkraftanlage mit horizontaler Achse

Vorteile: Die Umwandlungseffizienz von Windenergie ist am höchsten (bis zu 50 % oder mehr), die Technologie ist extrem ausgereift, die Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit sind optimal, und sie ist derzeit der absolute Standard bei großflächigen Windkraftprojekten.

Nachteile: Es erfordert ein präzises Giersystem zur Ausrichtung auf die Windrichtung, verursacht relativ hohe Geräuschentwicklung, hohe Wartungskosten (insbesondere bei großen Einheiten) und stellt hohe technische Anforderungen.

Hauptanwendungen: zentralisierte Onshore-Windparks, Offshore-Windparks (aktuelle und zukünftige Kernmodelle).

2. Vertikalachsen-Windkraftanlage – Typ Dario

Vorteile: Es kann Wind aus jeder Richtung einfangen, ohne dass ein Giersystem erforderlich ist. Generator und andere Geräte können zur einfachen Wartung am Boden platziert werden, und der Geräuschpegel im Betrieb ist relativ niedrig.

Nachteile: Der Gesamtwirkungsgrad ist geringer als bei einem Horizontalachsenventilator, und er startet in der Regel nicht automatisch. Bei größeren Baugrößen steigt die Belastung der Struktur, und der Kommerzialisierungsgrad ist gering.

Hauptanwendungen: dezentrale Kleinstromerzeugung, gebäudeintegrierte Windkraft, experimentelle Projekte und spezielle Umgebungen.

3. Vertikalachsen-Windkraftanlage – Savonius-Typ

Vorteile: Hohes Anlaufdrehmoment, Startfähigkeit auch bei niedriger Windgeschwindigkeit und turbulenter Strömung, sehr einfache und robuste Konstruktion, niedrige Herstellungs- und Wartungskosten.

Nachteile: Der Wirkungsgrad der Windenergieumwandlung ist sehr gering (in der Regel weniger als 20 %), und die Windgeschwindigkeit ist niedrig.

Hauptanwendungen: Kleine Ladegeräte, Belüftungshilfen, Windgeschwindigkeitsmessgeräte und andere Anwendungen mit geringem Stromverbrauch.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die dreiflügelige Horizontalachsen-Windkraftanlage aufgrund ihrer hohen Effizienz und ausgereiften Wertschöpfungskette den globalen Windenergiemarkt dominiert. Vertikalachsen-Windkraftanlagen, insbesondere vom Typ Dario, werden aufgrund ihrer einzigartigen Vorteile kontinuierlich in dezentralen, miniaturisierten und speziellen Anwendungsszenarien erforscht und eingesetzt und stellen eine wichtige Ergänzung zur diversifizierten Entwicklung der Windenergietechnologie dar.