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Von Insekten inspirierte Windkraftanlagen bieten 35% mehr Effizienz

Von Insekten inspirierte Windkraftanlagen bieten 35% mehr Effizienz

Herkömmliche Windkraftanlagen sind großartig - solange der Wind mit einer bestimmten Geschwindigkeit weht. Jetzt haben Wissenschaftler mit Inspiration von Insekten und einigen cleveren Ingenieuren eine neue Turbinenschaufel entwickelt, die 35 Prozent effizienter ist als herkömmliche Turbinen. Die aufkommende Technologie könnte die Windtechnologien revolutionieren und sie an Orten nutzbar machen, an denen die Windgeschwindigkeiten nicht optimal sind.

[Bildquelle:André Karwath über Wikimedia Creative Commons]

Turbinenschaufeln

Die Prinzipien von Windkraftanlagen sind relativ einfach. Der gesamte Vorgang ist fast das Gegenteil eines Lüfters. Anstatt Elektrizität zur Erzeugung einer Brise zu verwenden, nutzen massive Blätter die Energie des Windes, um eine Turbine zu drehen, die Elektrizität erzeugt.

Der Wirkungsgrad der Klinge hängt davon ab, wie viel Energie dem Wind entzogen werden kann. Es ist jedoch nicht die effizienteste Methode, die Klingen so schnell wie möglich drehen zu lassen. Die Blätter sind so abgewinkelt, dass gerade genug Windenergie in mechanische Energie umgewandelt wird. Zu einem bestimmten Zeitpunkt verringert die Entnahme von zu viel Energie aus dem Wind den Wirkungsgrad der Turbine (der theoretische maximale Wirkungsgrad). Wenn mehr Energie entnommen wird, beginnen die Klingen als Wand zu wirken. Wenn die gesamte Energie verbraucht ist, hat der Wind eine Geschwindigkeit von Null und verlässt das System mit Null Energie.

Der Winkel der Klingen ist so ausgelegt, dass sich die Klingen mit einer optimalen Geschwindigkeit drehen. Die Blätter können jedoch die Geschwindigkeit nur über einen bestimmten Windbereich halten. In der Regel sind die Blätter so konstruiert, dass sie der häufigsten Windgeschwindigkeit einer Region entsprechen. Wenn der Wind zu schnell oder zu langsam weht, kann die Energieabgabe der Turbine leider erheblich beeinträchtigt werden.

Schaffung einer effizienteren Windkraftanlage

Die Schaffung einer effizienteren Turbine ist eine schwierige Aufgabe. Derzeit gibt es einige Turbinenschaufeln, die ihren Anstellwinkel ändern können. Die Technologie mit variabler Steigung ermöglicht es der Turbine, den Anstellwinkel der Schaufeln autonom zu ändern, um den Wirkungsgrad zu maximieren. Während das System Windturbinen ermöglicht, mit einem größeren Bereich von Windgeschwindigkeiten zu arbeiten, ist es dennoch durch eine solide Struktur eingeschränkt.

Um die maximale Leistung zu erzeugen, muss der Wind die Blätter in einem genauen "Nickwinkel" treffen, um genau das richtige Drehmoment auf einen Generator aufzubringen.

Mit Insektenflügeln vorwärts treiben

Insektenflügel haben nicht die gleichen Probleme wie Windkraftanlagen. Anstelle fester Strukturen haben Insektenflügel flexible Flügel, die es ihnen ermöglichen, die aerodynamische Last in Flugrichtung zu lenken und so ihre Leistung zu erhöhen. Die natürliche Fähigkeit ihrer Flügel, sich weiter zu biegen, reduziert den Luftwiderstand und die Ermüdung weiter.

Ein Forscherteam beschloss zu testen, wie viel effizienter eine flexible Klinge sein kann. Das Experiment umfasste drei separate Schaufelsysteme; eine starre, halbflexible und sehr flexible Struktur. Jede Turbine hatte drei Rotoren, aber die zwei flexiblen Rotoren bestanden aus einem biegsamen Material, das als Polyethylenterephthalat bezeichnet wurde, während der starre Rotor aus einem steifen Kunstharz aufgebaut war.

Eine Reihe von Windkanaltests ergab, dass die flexibelsten Blätter im Vergleich zum steifen Gegenstück viel weniger Leistung produzieren. Es werden jedoch die halbflexiblen Klingen hergestellt35 Prozent mehr Leistung als das solide Design. Die Blätter erwiesen sich auch bei einem größeren Bereich von Windbedingungen als effizienter.

Was macht flexible Klingen so viel besser?

Genau wie bei einer herkömmlichen Turbine drehen sich die Schaufeln umso schneller, je schneller der Wind weht. Da der Rotor jedoch flexibel ist, biegt der Wind die Blätter.

Unterschiedliche Windgeschwindigkeiten verändern die Tonhöhe unterschiedlich. Höhere Geschwindigkeiten führen dazu, dass sich die Blätter stärker neigen und mehr Wind durchlässt. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten können sich die Klingen abflachen, um so viel Energie wie möglich zu gewinnen. Infolgedessen ist der Rotor viel effizienter als eine starre Konstruktion.

Herausforderungen zu bewältigen

Eines der größten Probleme von Windkraftanlagen ist die Erzeugung eines Rotors, der den Umwelt- und mechanischen Belastungen standhält. Um eine praktikable Alternative zu sein, muss die Klinge mindestens so langlebig sein wie die aktuellen Kohlefaserklingen. Außerdem müssen die Schaufeln eine ähnliche Menge wiegen, um die Spannungen weiter zu reduzieren, und in aktuelle Strukturen eingebaut werden, ohne dass eine Verstärkung erforderlich ist.

Die Technologie hat noch einen Weg vor sich. Dies ist jedoch ein Schritt in die richtige Richtung, um ein nachhaltiges Mittel zur Energieerzeugung zu erreichen. Der nächste Schritt wird darin bestehen, ein umfassendes Experiment zu entwerfen, um die Lebensfähigkeit von von Insekten inspirierten Windkraftanlagen vollständig zu bestimmen.

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Geschrieben von Maverick Baker

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