10 Innovationen in der Windkraft

Eine der vielversprechendsten alternativen Energietechnologien hat in den letzten Jahren mehr Skepsis als Lob geerntet. Horizontalachsen-Windkraftanlagen (HAWT), diese massiven, blattförmigen Türme, die einen windigen Tag in saubere Energie für das Netz umwandeln, können auch Vögel und Fledermäuse töten, erfordern eine teure regelmäßige Wartung, haben Effizienzprobleme und verärgern die Anwohner im Allgemeinen durch plötzliche Behinderungen Ansichten und unerwünschte (und möglicherweise ungesunde) Geräuschpegel.

Die Installation von US-Windparks hat sich entsprechend verlangsamt, aber ein Zufluss von Regierungsgeldern im Jahr 2012 könnte neue Hoffnung für die Windkraft bieten [Quelle: Hurdle ]. Die Forschung hat einige erstaunliche Möglichkeiten bei Merkmalen und Generierungsmethoden hervorgebracht; Viele der Maschinen auf dem Reißbrett sehen und funktionieren sehr wenig wie die „ Windmühlen “, an die wir gewöhnt sind.

Die Zukunft des Windes liegt möglicherweise nicht in Rotorblättern, in Farmen oder gar fest auf der Erde. Hier sind 10 der einzigartigsten Ansätze zur Verbesserung der Art und Weise, wie wir Wind in Strom umwandeln . Einige sind ein bisschen verträumt, andere befinden sich in verschiedenen Stadien des Designs und des Prototyps, und einige rühmen sich mit vorläufigen Terminen für den kommerziellen Verkauf.

Wir beginnen mit einem, dessen Erfinder sagen, dass es viel mehr Wind einfängt als herkömmliche Designs und möglicherweise 2013 auf den Markt kommt.

1. Sammeln Sie es zuerst
2. Hochsenden
3. Beginnend mit dem Tesla-Motor
4. Beginnend mit einem Düsentriebwerk
5. Schweben!
6. Darin wandern
7. Beginnend mit einem Segel
8. Flexibel werden
9. Gewichtsverlagerung
10. Schweben

Omnidirektional wurde realisiert, wobei einstellbare Turbinenschaufeln in traditioneller, vertikaler Ausrichtung montiert sind, die sich bewegen können, um Richtungsänderungen aufzunehmen. Der IMPLUX geht mit der Methode einen anderen Weg, indem er Luft aus mehreren Richtungen in eine Anordnung mit vertikaler Achse einleitet.

Die Erfinder von Katru haben in ihrem Arbeitsmodell einer Windkraftanlage auf dem Dach für die Energieerzeugung in kleinem Maßstab ein Gerät geschaffen, das mehr Wind einfängt, indem es ihn sammelt, bevor er auf die Turbinenblätter trifft [Quelle: Yirka ]. Eine runde Lamellenkammer fungiert als 360-Grad-Einlassstruktur, die den Wind aus allen Richtungen aufnimmt und ihn in nur eine umlenkt: nach oben zu horizontal rotierenden Rotorblättern (eine helikopterähnliche Ausrichtung).

Da die Turbine umschlossen ist und die Lamellen des Gehäuses eng beieinander liegen, stellt sie keine Gefahr für Vögel dar und erzeugt im Vergleich zu aktuellen Turbinenformen nur sehr wenig Lärm [Quelle: Katru Eco-Inventions ].

IMPLUX würde auf Gebäuden montiert, um die relativ ungenutzte Energie einzufangen, die über städtische Zentren fließt. Das neueste Modell ist nur 2,7 Meter hoch und hat eine Nennleistung von 1,2 Kilowatt; Katru plant, dies bis Ende 2013 auf maximal 6 Kilowatt zu steigern, wenn der IMPLUX für die kommerzielle Verfügbarkeit vorgesehen ist [Quelle: Katru Eco-Inventions ].

Als nächstes auf einer ganz anderen Ebene ...

Weit, weit über der Erde gibt es laut der Industriegruppe Alternative Energy [Quelle: Alternative Energy ] genug Windenergie , um 50 Globen mit Strom zu versorgen. Diese Höhenwinde, die historisch außerhalb der Reichweite unserer Technologie und Wissenschaft liegen, könnten kurz davor stehen, unsere Netze zu speisen.

Mehrere Unternehmen entwerfen luftgestützte Turbinen, die Tausende von Fuß in der Luft schweben und Höhenwinde in Strom umwandeln würden. Die Designs reichen von drachenartigen Strukturen bis hin zu Luftschiffen , im Wesentlichen fliegenden Turbinen, die Wind einfangen, in elektrische Energie umwandeln und über ein Seil zur Erde schicken würden.

Sicherheitsbedenken sind im Überfluss vorhanden, ein weiterer Grund, warum fliegende Turbinen ein in die Jahre gekommener Traum waren [Quelle: Alternative Energy ]. Die Federal Aviation Administration hat für solche Strukturen eine Grenze von 600 Metern (2.000 Fuß) empfohlen, um Störungen des Flugverkehrs zu vermeiden, und die Konstrukteure müssen nachweisen, dass sie ihre Turbinen sicher landen können, falls ein Halteseil ausfällt oder extremes Wetter andere Fehlfunktionen verursacht.

Höhenturbinen befinden sich in verschiedenen Entwicklungsstadien. Sie wurden noch nicht in den großen Höhen getestet, für die sie bestimmt sind [Quelle: Alternative Energy ].

Als nächstes betritt Tesla das Bild.

Inspiriert von einem Motordesign, das 1913 vom Erfinder Nikola Tesla patentiert wurde , hat ein Unternehmen namens Solar Aero eine Windkraftanlage ohne Flügel, mit geringem Platzbedarf und laut den Konstrukteuren mit ausreichend niedrigen Wartungskosten entwickelt, um den Strompreis zu senken kohlebefeuerte Raten [Quelle: Zyga ].

Die Fuller-Turbine verwendet dünne Metallscheiben, um einen Generator anzutreiben. Die tragflügelartigen Scheiben sind eng beabstandet und so abgewinkelt, dass sie sich drehen, wenn Wind durch die Einheit strömt, unabhängig von der Richtung oder Stärke des Windes. Da die Anzahl der Scheiben erhöht oder verringert werden kann, um unterschiedliche Leistungen und Größen zu erreichen, kann die Fuller-Turbine leicht an eine Vielzahl von Standorten angepasst werden.

Easy access to the disk-and-generator setup, along with reduced height requirements since blade clearance is not a factor, mean lower maintenance costs, according to Solar Aero. The removal of blade clearance from the equation also means the units can be placed closer together, so 20 Fuller turbines would require less land than standard, bladed machines [source: Zyga].

Like many other innovations on this list, the Fuller turbine takes birds into account: The entire moving system is screened in.

Next, another engine acts as muse.

A subsidiary of aerospace manufacturer FloDesign has taken the jet-engine concept into wind energy . The FloDesign wind turbine is smaller than current turbine structures but can, according to its inventors, produce up to four times more power [source: LaMonica].

Much like a jet engine, FloDesign has a set of fixed blades that sit in front of the moving turbine blades. They are spaced and angled to take advantage of variations in wind speed to produce a rapid-mixing vortex -- a vortex that sucks in additional wind (which would be missed by typical turbine designs) and speeds it up [source: Bullis]. It is this greater volume of faster-moving air that hits the movable blades, spinning the generator.

The unit's designers say FloDesign can produce as much energy as a HAWT unit twice its size [source: Bullis]. In 2011, the unit was installed on an island in Boston Harbor, and it performed well [source: Watt Now].

Next, eliminating friction ...

One of the reasons why wind turbines are relatively inefficient is the friction between moving parts [source: Fecht]. That friction wastes energy, reducing the turbine's output. If you could, say, levitate a turbine's blades rather than physically attaching them to the base, that friction would be eliminated.

This technology is available. Several companies, in various stages of development, are working on maglev turbines. Magnetic levitation , which has propelled clean-energy trains for years, has the potential to increase wind-turbine efficiency by up to 20 percent, according to China-based Guangzhou Energy Research Institute [source: Fecht]. These frictionless units can harness slower-moving wind, turn more of the wind power they capture into electricity, and face less wear-and-tear than traditional models.

U.S.-based Regenedyne and NuEnergy are both developing maglev turbines for commercial sale. The models are silent, safer for birds and are significantly less expensive than "windmill"-type units [source: NuEnergy]. Lifespan would have a lot to do with that: Regenedyne claims a maglev-turbine lifespan of 500 years, compared to about 25 years for current, friction-filled models [source: Off Grid Technologies].

Next up, wind energy goes recreational ...

City planners in Abu Dhabi imagined a futuristic community in which clean energy would be more than energy; it would be enjoyed. Design firms submitted proposals, and a company in New York won first prize for its concept of a field of reedlike turbines that move in the breeze like stalks of wheat.

Atelier DNA envisioned slim, graceful turbines called Windstalks. Each LED-lit, 180-foot (55-meter) stalk sways in the wind, creating kinetic energy to drive a torque generator [source: Danigelis]. A slim, bladeless design allows for close spacing, safety for birds and bats and, most uniquely, a lovely evening stroll: Designers hope residents will one day take walks through a farm of swaying Windstalks, experiencing clean energy as something like art.

The idea turns the wind farm into a visually enjoyable installation, rather than one to put up with in the name of clean, renewable power. It's an innovative way of removing one of the loudest objections to wind farms today, imagining instead the possibility that in the future, people might actually want to live near acres and acres of turbines.

Next, calling on one of the oldest, most efficient ways to capture the power of wind ...

One of the oldest ways to capture wind energy is the sail. Since the very first shipbuilders erected a mast, the simple sail has harnessed more of the kinetic energy in wind for human use than any other structure [source: Zaghdoud].

Sail as inspiration for a high-efficiency wind turbine, then, makes perfect sense, and Saphon Energy hopes to implement it in a sail-shaped turbine it calls Saphonian. Compared to a standard, bladed design, the more aerodynamic , lower-friction turbine can use up to twice the amount of energy in a given supply of wind, using it to create hydraulic pressure to drive a generator [source: Zaghdoud]. According to Saphon, its most recent prototype is more than twice as efficient as a typical windmill-style turbine [source: Zaghdoud].

As an interesting side note, Saphonian takes its name from Baal-Saphon, a wind deity in the religion of ancient Carthage. In particular, Baal-Saphon ruled the wind that would churn up the seas, and he was worshipped by Carthaginian sailors on their journeys [source: Saphon].

Next, at the blade's edge ...

Wear-and-tear is a serious issue in wind turbines , because repeatedly replacing expensive parts increases the cost of the power they generate. The Risø National Laboratory for Sustainable Energy in Denmark is taking on one of the greatest wear-and-tear culprits: the extraordinary load placed on turbine structures when their massive blades rotate [source: Alternative Energy].

To reduce that load, Risø researchers have devised a different kind of blade -- or at least a different kind of edge for it. They believe that a trailing edge that can bend while the blade rotates, creating a smoother flow of air off the blade, will dramatically reduce the load on the support structure [source: Alternative Energy].

Researchers point to the flaps on airplane wings as an example of the concept: Those flaps alter the wing's shape to offer increased control over lift forces during takeoff and landing. A rubber trailing edge, through similar means, could increase the stability of spinning turbine blades, reducing the amount of stress on the components holding them [source: Alternative Energy].

Risø's flexible edge is still in the research and design phase.

Next, a new way to do it offshore ...

Offshore wind farms offer huge potential in wind power , but potential drawbacks make their future uncertain. One of the greatest concerns is financial, especially regarding the cost of anchoring a wind turbine to the ocean floor. That price of that construction is so high as to raise doubts as to the viability of large-scale offshore power generation.

Viele Unternehmen suchen nach Möglichkeiten, diese Kosten zu senken. Einer von ihnen, Technip, ging aus einem Schwerpunktwinkel darauf zu und drehte die traditionelle Turbinenstruktur auf die Seite. Der Effekt ist eine stabilere Struktur: Das Vertiwind-Design bewegt den Generator, die schwerste Komponente, näher an die Meeresoberfläche – 65 Fuß (20 Meter) über dem Meer, statt der üblichen 200 Fuß (60 Meter); es macht auch die Rotationsachse vertikal [Quelle: Gatto ]. Das kombinierte Ergebnis ist ein niedrigerer Schwerpunkt, der die Tiefe und Komplexität der Verankerungsanforderungen reduziert [Quelle: Snieckus ]. Im Idealfall müssen Vertiwind-Turbinen überhaupt nicht am Meeresboden befestigt werden.

Ab Januar 2013 ist ein 35-Kilowatt-Vertiwind-Prototyp bereit für Tests vor der Küste Frankreichs [Quelle: Wind Power Intelligence ].

Das ist aber anscheinend nicht der einzige Weg. Eine letzte Windkraftinnovation schlägt eine andere Lösung für hohe Offshore-Kosten vor.

Auch die Windkraftkooperation WindPlus arbeitet an der Verankerungsfrage. In diesem Fall behält die Turbine jedoch ihre horizontale Achse bei, wie Sie es bei den meisten landgestützten Strukturen sehen; Die große Entwicklung hier ist ein Unterstützungssystem namens WindFloat.

WindFloat ist eine halbtauchfähige Plattform, die durch einen Schleppanker an Ort und Stelle gehalten wird. Bei der Schleppeinbettung gibt es keine Konstruktion am Meeresboden. Stattdessen wird ein Anker über den Boden gezogen, bis er sich in der gewünschten Tiefe einbettet. Die schleppverankerte Plattform trägt eine Offshore-Turbine, wie sie heute üblicherweise verwendet wird. WindFloat kann möglicherweise die kostengünstige Installation größerer Turbinen ermöglichen als diejenigen, die derzeit Offshore-Strom erzeugen.

Dieses schwimmende Turbinendesign ermöglicht nicht nur niedrigere Installationskosten, sondern auch niedrigere Montagekosten, da der gesamte Aufbau, sowohl Plattform als auch Turbine, an Land zusammengebaut werden können. Die aktuelle Technologie beruht auf der Montage auf See, was weitaus instabilere und logistisch komplexere Bedingungen mit sich bringt [Quelle: Macguire ]. WindFloats werden bereits vor der Küste Portugals eingesetzt, und ab Dezember 2012 schreiten die Pläne für die Installation vor der Küste von Oregon voran [Quelle: Recharge ].

Dieses Oregon-Projekt wurde teilweise durch neue Entwicklungszuschüsse sowohl von der Europäischen Union als auch von den Vereinigten Staaten [Quelle: Recharge ] genehmigt. Die Ende 2012 aufgelegten neuen staatlichen Fördermittel für Windkraft, insbesondere die Offshore-Variante, könnten große Entwicklungssprünge bedeuten. Es besteht die Hoffnung, dass Innovationen wie diese mit dem Geld für ein perfektes Design und die Implementierung von mehr realen Tests die Rentabilität von Wind als bedeutende Quelle für erschwingliche, saubere Energie dramatisch steigern könnten.

Anmerkung des Autors: 10 Innovationen in der Windkraft

Es gibt unzählige innovative Köpfe, die daran arbeiten, die Leistung von Windkraftanlagen zu verbessern, aber hier musste ich 10 auswählen. Es gibt so viele da draußen, einige konzentrieren sich auf Anpassungen für die mechanische Effizienz, andere konzentrieren sich auf die Beseitigung von „Schandflecken“ und Umweltschäden. und viele sprechen beides an. Ich habe mich für diese besonderen Innovationen entschieden, weil ich sie als besonders einzigartig oder überraschend empfunden habe oder ihre kühnen Behauptungen in Feldversuchen tatsächlich bestätigt wurden.

Auch jede aufgeführte Innovation kann in der Arbeit von mehr Unternehmen auftauchen, als ich hier einbeziehen konnte. Es ist erstaunlich, wie viele Erfinder in dieselbe Kerbe schlagen.

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