Wie hoch ist der Wirkungsgrad der Stromerzeugung von Windkraftanlagen in Gebieten mit niedrigen oder instabilen Windgeschwindigkeiten?

Dies ist eine sehr gute Frage und eine der zentralen Herausforderungen für die Windkraftbranche bei der Markterweiterung. Vereinfacht gesagt: In Gebieten mit niedrigen oder instabilen Windgeschwindigkeiten sinkt die Stromerzeugungseffizienz herkömmlicher Windkraftanlagen tatsächlich deutlich. Durch gezielte technologische Innovationen und umfassende Lösungen lässt sich jedoch bereits jetzt eine wirtschaftlich rentable Entwicklung erzielen.

Nachfolgend finden Sie mehrere detaillierte Erläuterungen:
1. Herausforderung: Warum sinkt die Effizienz?

Der Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und Leistung ist kubisch: Die Leistung einer Windkraftanlage ist direkt proportional zur dritten Potenz der Windgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass sich die Stromerzeugung theoretisch auf ein Achtel des ursprünglichen Wertes reduziert, wenn die Windgeschwindigkeit halbiert wird. Daher wirken sich niedrige Windgeschwindigkeiten negativ auf die Stromerzeugung aus.

Abschneidegrenze für Windgeschwindigkeiten: Traditionelle Windkraftanlagen haben eine „Abschneidegrenze für Windgeschwindigkeiten“ (in der Regel 3-4 Meter/Sekunde), unterhalb derer die Turbine nicht mit der Stromerzeugung beginnen kann.

Unbeständige Windgeschwindigkeit: Häufige Schwankungen der Windgeschwindigkeit können zu häufigen Start-Stopp-, Gier- und Pitchänderungen der Windkraftanlage führen, was nicht nur die mechanischen Verluste erhöht, sondern auch einen stabilen Betrieb auf der optimalen Leistungskurve verhindert und somit zu einer geringen Gesamtkapazitätsauslastung führt.

Hohe Turbulenzintensität: Instabile Winde gehen oft mit hoher Turbulenz einher und erhöhen die Belastung des Ventilators. Um die Sicherheit zu gewährleisten, ist es mitunter erforderlich, die Leistung zu reduzieren oder den Ventilator abzuschalten.

2. Lösung: Wie lässt sich die Stromerzeugungseffizienz in Gebieten mit niedriger Windgeschwindigkeit/instabilen Windverhältnissen verbessern?

Als Antwort auf diese Herausforderungen hat die moderne Windkrafttechnologie, insbesondere die Entwicklung von Langsamläufer-Windkraftanlagen, ausgereifte Lösungen hervorgebracht:

1. Vergrößern Sie die Kehrfläche:

Verlängerung der Rotorblätter: Dies ist die direkteste und effektivste Methode. Längere Rotorblätter können mehr Windenergie einfangen und genügend Drehmoment erzeugen, um den Generator auch bei niedrigen Windgeschwindigkeiten anzutreiben. Der Laufraddurchmesser moderner Langsamläufer wird immer größer.

Aerodynamisches Design optimieren: Fortschrittlichere Tragflügel- und Blattformen einsetzen, um die Effizienz der Windenergieausbeute zu steigern.

2. Reduzierung der Abschneidegeschwindigkeit und der Nennwindgeschwindigkeit:

Durch die Verbesserung der Regelungsstrategie und der Generatorkonstruktion kann die Reduzierung der Windgeschwindigkeit auf 2-2,5 Meter pro Sekunde oder sogar darunter verringert werden.

Reduzieren Sie die „Nennwindgeschwindigkeit“ (die Windgeschwindigkeit, bei der die volle Leistung erreicht wird), damit die Windkraftanlage ihre Nennleistung auch bei niedrigeren Windgeschwindigkeiten erreichen kann.

3. Die Höhe des Turms erhöhen:

Die Windgeschwindigkeit nimmt mit der Höhe zu (Windscherungseffekt). Durch den Einsatz eines höheren Turms kann die Nabe in einer größeren und stabileren Höhe mit höheren Windgeschwindigkeiten platziert werden, was die Stromerzeugung deutlich steigert.

4. Fortschrittliche intelligente Steuerungstechnologie:

Intelligente Pitch- und Drehmomentregelung: Die Blattwinkel und das Generatordrehmoment werden präzise an die momentane Windgeschwindigkeit angepasst, um die Energieausbeute zu maximieren und die durch instabilen Wind verursachte Belastung zu reduzieren.

Vorausschauende Steuerung: In Kombination mit LiDAR wird die Windgeschwindigkeit prospektiv gemessen, der Lüfterstatus im Voraus angepasst, die Leistungsabgabe geglättet und mechanische Stöße reduziert.

Gemeinsame Steuerung von Windparks: Optimierung der Betriebsstrategie der Windkraftanlagen im gesamten Windpark, Reduzierung der Auswirkungen von Nachlaufströmungen und Steigerung der gesamten Stromerzeugung des Standorts.

5. Modellkonstruktion, die für spezifische Windbedingungen geeignet ist:

Entwicklung verbesserter Windkraftanlagen für Windfelder mit hoher Turbulenz und komplexem Gelände (wie z. B. Gebirgsregionen), die komplexeren Belastungen standhalten und einen effizienten Betrieb gewährleisten können.

3. Umfassende Wirkungs- und Messindikatoren

Nach der oben beschriebenen Optimierung können die jährlichen äquivalenten Vollbetriebsstunden moderner Niedriggeschwindigkeits-Windkraftanlagen in Gebieten mit niedrigeren Windgeschwindigkeiten (z. B. einer durchschnittlichen jährlichen Windgeschwindigkeit von 5,5–6,5 m/s) über 2000 Stunden erreichen, was einen wirtschaftlichen Entwicklungswert darstellt. In traditionellen Hochwindgebieten (mit einer durchschnittlichen jährlichen Windgeschwindigkeit von über 8 m/s) kann dieser Wert zwischen 3000 und 4000 Stunden liegen.

Wichtigster Messindikator – Stromgestehungskosten (LCOE):
Das entscheidende Bewertungskriterium ist nicht allein die Effizienz, sondern die Stromerzeugungskosten. Durch die oben genannte Technologie können zwar die Kosten einer einzelnen Einheit (insbesondere der Rotorblätter und des Turms) steigen, die Stromerzeugung in Gebieten mit geringen Windgeschwindigkeiten wird jedoch deutlich erhöht. Dadurch sinken die Stromgestehungskosten pro Kilowattstunde, sodass sich das Gesamtprojekt rentiert.

4. Zukunftstrends

Größer und individueller: Windkraftanlagen entwickeln sich kontinuierlich weiter, mit größeren Rotorblattdurchmessern und höheren Turmstrukturen, und bieten hochgradig individualisierte Lösungen für unterschiedliche Windressourcengebiete.

In Kombination mit Energiespeicherung: In Gebieten mit instabilen Windgeschwindigkeiten wird die Kombination aus Windkraft und Energiespeicherung (z. B. Batteriespeicherung) zur Standardkonfiguration, um die Stromerzeugung zu glätten, an der Netzfrequenzregelung mitzuwirken, die Stromqualität zu verbessern und eine netzfreundlichere Anbindung zu erreichen.

Dezentrale und gemeinschaftliche Windkraft: In Gebieten mit niedrigen Windgeschwindigkeiten, aber in der Nähe von Stromverbrauchern (wie beispielsweise in den zentralen und südöstlichen Regionen Chinas), kann die Installation einer oder mehrerer Windkraftanlagen mit niedriger Windgeschwindigkeit den Park oder die Gemeinde direkt mit Strom versorgen, wodurch Übertragungsverluste reduziert werden und die wirtschaftlichen Vorteile immer deutlicher werden.

Zusammenfassung

In Gebieten mit niedrigen oder instabilen Windgeschwindigkeiten ist die Stromerzeugungseffizienz herkömmlicher Windkraftanlagen tatsächlich nicht optimal. Speziell entwickelte, moderne Niedrigwindkraftanlagen können jedoch durch Technologien wie aerodynamische Optimierung, intelligente Steuerung und die Vergrößerung von Größe und Höhe Windenergie effizient nutzen und so zuvor unwirtschaftliche Windressourcen in wirtschaftlich nutzbaren Strom umwandeln. Daher hat sich die „Stromerzeugungseffizienz“ in diesen Regionen durch umfassende technische Lösungen von einer technischen Herausforderung zu einem Optimierungsthema entwickelt und ist zu einem wichtigen Wachstumsmarkt für die globale Windenergieentwicklung geworden.