Wenn der Wind weht, weht auch der Flügel von Windmühlen und Windkraftanlagen . Diese massiven Flügelmaschinen gibt es seit über 1.000 Jahren. Die ersten Windmühlen in Persien erscheinen um 800 n. Chr
Diese frühen Windmühlen wurden genau für das verwendet, was ihr Name andeutet - sie waren vom Wind betriebene Mühlen. Der Wind drehte die Flügel oder Blätter der Windmühle und drehte einen Mittelschacht, der dann eine Getreidemühle drehte, die normalerweise aus großen, flachen Steinen bestand, um Mehl und andere Getreideprodukte herzustellen. Diese Windmühlen dienten auch einem anderen wichtigen Zweck - dem Pumpen von Wasser in Städte und Häuser. Anstatt eine Getreidemühle zu drehen, könnte die Drehung der Windmühle verwendet werden, um eine Pumpe anzutreiben.
Während es Windmühlen schon seit Ewigkeiten gibt, gibt es Windturbinen erst seit ungefähr 1888, als der Erfinder Charles Brush die erste bekannte Windkraftanlage für die Stromerzeugung in den USA baute, um Strom für seine Villa in Ohio zu erzeugen. Windkraftanlagen werden verwendet, um Elektrizität aus dem Drehen der Schaufeln zu erzeugen, anstatt diese Spinnenergie einfach in mechanischere Arbeit umzuwandeln, wie z. B. das Drehen einer Mühle oder das Pumpen von Wasser.
"Eine Windkraftanlage in den USA ist etwa 85 Meter hoch, während die ältere Windmühle normalerweise keine 24 Meter übersteigt", sagt James Herzing, Ingenieur und preisgekrönter Moderator des Podcasts " Unprofessional Engineering" in einem E-Mail-Interview. "Die Größe der Segel oder Blätter ist ein weiterer großer Unterschied. Windmühlen werden traditionell anhand des Raddurchmessers gemessen, und es ist nicht ungewöhnlich, eine 2-Meter-Windmühle zu sehen, bei der 8 Fuß über die Blätter gemessen werden. Wind Turbinen hingegen können eine einzelne Schaufel haben, die weit über 30 Meter hoch ist. "
Wie Windmühlen funktionieren
Während Windmühlen zu den ältesten und wichtigsten Maschinen der Zivilisation gehören und im Allgemeinen zum Pumpen von Wasser oder zum Mahlen von Getreide verwendet werden, weisen sie einige andere funktionale Unterschiede zur viel neueren Windturbinentechnologie auf.
Die Blätter einer Windmühle befinden sich in Bodennähe und müssen daher Luftströmungen in Bodennähe nutzen, um sich zu drehen. Da Windströmungen in der Regel weniger nahe an der Erdoberfläche liegen als in höheren Atmosphären, müssen Windmühlen größere Blätter haben, um so viel Wind wie möglich aufzufangen.
Während es Windmühlen seit etwa 800 n. Chr. Gibt, haben sie Mitte des 19. Jahrhunderts wirklich an Popularität gewonnen. Ausgelöst durch die industrielle Revolution in den Jahrzehnten nach 1850 wurden allein in den USA mehr als 6 Millionen mechanische Windmühlen installiert , um Pumpen und Fabriken anzutreiben und anderen Energiebedarf zu decken.
Diese Popularität wurde durch die Einfachheit von Windmühlen als mechanische Energieerzeuger angetrieben. Durch einfaches Aufstellen einer Windmühle mit vielen Flügeln erhalten Sie schnell Zugang zu einer kostenlosen mechanischen Energiequelle. Durch das Drehen der Schaufeln könnte diese Rotationsenergie verwendet werden, um Maschinen durch Getriebe anzutreiben oder um Wasser mit einfachen Wassersaugstangenpumpen aus dem Boden zu schieben und zu ziehen .
Als Windmühlen in der modernen Industrie populär wurden, wurde auch eine andere Erfindung entwickelt und verfeinert: der Generator.
Anstatt eine Windmühle nur bei Wind benutzen zu können, würde ein Generator die Speicherung von Rotationsenergie durch Umwandlung in Elektrizität ermöglichen. Daher war die Entwicklung von Windkraftanlagen der nächste Schritt zur Perfektionierung von Windenergie-Nutzgeräten.
Wie Windkraftanlagen funktionieren
Um stärkere Luftströmungen aufzufangen, reicht eine Windkraftanlage mehrere hundert Meter höher in den Himmel als eine Windmühle. Es verwendet die gleichen Funktionsprinzipien wie eine Windmühle - Wind wird in Rotationsenergie umgewandelt -, aber was es als nächstes tut, ist anders. In Windkraftanlagen befinden sich Generatoren, die normalerweise direkt mit einer sich drehenden Flügelstange verbunden sind. Durch Drehen des Generators wird ein elektrischer Strom erzeugt, mit dem Batterien geladen, in das Netz eingespeist oder elektronische Geräte direkt betrieben werden können. Der beste Weg, um zu verstehen, wie dies funktioniert, ist die Betrachtung eines Motors , jedoch in umgekehrter Reihenfolge . Ein Elektromotor verwendet Elektrizität, um Bewegung zu erzeugen, während eine Windkraftanlage Bewegung verwendet, um Elektrizität zu erzeugen.
Insbesondere erfassen die Schaufeln einer Windkraftanlage die kinetische Energie - Energie, die durch Bewegung erzeugt wird - des Windes und wandeln sie in Rotationsenergie um. Diese Rotationsenergie wird dann durch eine Reihe von Zahnrädern gespeist, um die Drehzahl eines Generators zu erhöhen.
Diese Turbinen produzieren im Allgemeinen Energie bei Windgeschwindigkeiten von 8 bis 16 km / h (5 bis 10 Meilen pro Stunde) und schalten sich bei hohen Geschwindigkeiten nahe 96 km / h ab, damit sie nicht versagen oder sich selbst beschädigen American Wind Energy Association .
Windkraftanlagen produzieren zwar Strom, sind aber technisch nicht so effizient wie Windmühlen. Windkraftanlagen haben einen maximalen Wirkungsgrad von 59 Prozent, was als Betz-Grenze bezeichnet wird. Dies ist auf die Unfähigkeit zurückzuführen, die gesamte Windenergie zu nutzen, und auf Ineffizienzen bei der Umwandlung von Rotationsenergie in mechanische Energie.
Von der alten Technologie zur zukünftigen Energie
Trotz ihrer Ineffizienzen sind Windkraftanlagen der Weg zur Windnutzung und Stromerzeugung der Zukunft. James sagt, dass er "Windkraftanlagen als integralen Bestandteil der Reduzierung und letztendlich Beseitigung unserer Abhängigkeit von Kohlenstoffbrennstoffen betrachtet. Ein typisches Windprojekt zahlt seinen CO2-Fußabdruck innerhalb von sechs Monaten zurück und liefert Jahrzehnte emissionsfreier Energie Einige Länder wie Schottland haben bereits genug in Windenergie investiert, um genug Strom zu produzieren, um zwei Scotlands zu befeuern! "
Im Jahr 2018 erzeugte Wind rund 5 Prozent des weltweiten Stroms und ist damit nach der Wasserkraft die zweitgrößte erneuerbare Quelle. Von der ersten Verwendung der Windmühle als mechanisches Rückgrat der frühen persischen und chinesischen Zivilisation bis hin zu den heutigen massiven Windkraftanlagen bleibt die zugrunde liegende Technologie erhalten.
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Windkraftanlagen haben nur drei Blätter , um ihren Drehimpuls konstant zu halten. Wenn bei drei Klingen eine nach oben zeigt, gleichen die beiden in einem Winkel nach unten weisenden Kräfte die Kräfte perfekt aus. Wenn Windkraftanlagen mehr als drei Blätter hätten, wären sie entweder instabil oder zu schwer, um effizient zu sein.
