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Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.1 SoSe14
Frank KameierStrömungstechnik II
4. Vorlesung
Windenergieanlagen Theorie von Betz
Rankine-Froudsche-Strahltheorie
Geschwindigkeitsdreiecke
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.2 SoSe14
Gesamtschule 9. Klasse
Windenergieanlagen(auch Windkraftanlagen genannt)
• Grundlagen• Geschichte der Windenergie • Windenergieanlagen in Deutschland• Wie funktioniert eine Windenergieanlage?• Vor- und Nachteile • Welche Anlagentypen gibt es?• Exotische Bauformen
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.3 SoSe14
Grundlagen
• Umwandlung von Kinetischer Energie (Bewegungsenergie) zu elektrischer Energie (Strom)
• erneuerbare Energiequelle• Kinetische Energie = Wind
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.4 SoSe14
Geschichte der Windenergie• Windkraftanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus• Charles Francis Brush baute 1887/88 als allererster eine funktionierende
Windenergieanlage• In der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts verstärkten sich die Versuche mit
Hilfe der Windenergie Strom zu erzeugen
Windmühle Charles Francis Brush http://www.muehle-walbeck.de/geschichte/ http://www.lafavre.us/brush/brushbio.htm
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.5 SoSe14
www.bine.info
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.6 SoSe14
Windenergieanlagen in Deutschland:
• Jährlich werden in Deutschland ca. 40 000 GW h Strom durch Windkraft erzeugt
• ungefähr 19 000 Windräder in Deutschland
http://www.bmwi.de/DE/Themen/energie.html
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.7 SoSe14
http://www.energienpoint.de/erneuerbare-energien/windenergie/wie-funktioniert-eine-windkraftanlage/
Wie funktioniert eine Windenergieanlage?Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.8 SoSe14
Win
dges
chw
indi
gkei
t
und
Win
dric
htun
g
RotationWindgeschwindigkeitwird hinter Rotor kleiner
-Richtung ändert sich!
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.9 SoSe14
Wind hinter der Anlage
www.klimaskeptiker.info
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.10 SoSe14
Wind vor der Anlage und hinter der Anlage
1/3 c
c
1 2
1/3 c
c
1 2
Der Wind wird abgebremst und in Spiralen umgelenkt!
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.11 SoSe14
Vor- und Nachteile
Vorteile:1. Es werden keine fossilen Brennstoffe verwendet. Dadurch wird die Umwelt nicht durch
Abgase geschädigt (CO2).
2. Es wird nur erneuerbare Energie verwendet. Die Energieressourcen werden nicht verringert.
3. Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landzonen (Küste, Flachland, Gebirge) eingesetzt werden.
4. Schon nach kurzer Zeit sind die Kosten der Errichtung eines Windkraftrades wieder gedeckt. Ein Windrad kostet zwischen 1 und 1,2 Mio. € pro Megawatt Nennleistung.
5. Wind gibt es auf der ganzen Welt, somit steht diese Energiequelle auch in Staaten ohne Rohstoffvorkommen zur Verfügung.
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.12 SoSe14
Nachteile:
1. Umweltverhältnisse: z.B. unregelmäßiger Schattenwurf, Lärmbelästigung, durch das Surren des Generators und der Rotorblätter. Außerdem wird das Landschaftsbild beeinflusst. Es werden pro Jahr ca. 1000 Vögel durch Zusammenstoß mit Rotoren getötet, besonders Greifvögel. Dem gegenüber stehen aber ~ 10 Mio. getöteter Vögel im Straßenverkehr!!!
2. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Windes kann der mit Windenergieanlagen gewonnene Strom nur in Verbund mit anderen Energiequellen zur dauerhaften Energiebereitstellung genutzt werden.
3. Der Nutzungsgrad von Windrädern beträgt nur etwa 30% der verfügbaren Energie. Die Verluste entstehen bei dem Rotor (ca. 60%), Getriebe (ca. 4%) und Generator (ca. 7%). Durch ständige technische Verbesserungen wird sich der Grad der gewonnenen Nutzungsenergie jedoch erhöhen.
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.13 SoSe14
Welche Anlagentypen gibt es?
Horizontalläufer Vertikalläufer
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.14 SoSe14
Horizontalläufer Vertikalläufer
klassisch
http://www.rothaarwind.de/windenergie/mod_content_bildlupe/bild/18/name/enercon/index.html www.neoenergy.at
Vorteil: Windrichtung egal
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.15 SoSe14
Exotische Anlagen
http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm
… Nasenpiercing lässt Diode leuchten!
http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm
Zu niedriges Niveau für
Hochschulstudium
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.16 SoSe14
http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm
Walze:
Spirale:
Tonne:krumme Flügel:
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.17 SoSe14
Frage zu „seltenen Erden“:
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.18 SoSe14
Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk
http://www.altaerosenergies.com/
Der elektrische Strom gelangt überdie Halteleinen zum Boden!
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.19 SoSe14
Bahrain: Erste Windkraftanlagen in Gebäude integriert
• 240 Meter hohe Türme, 50 Stockwerke
• elliptisch geformte Türme sollen die Windgeschwindigkeit im Zwischenraum erhöhen (Windkonzentrator)
• Windkraftanlagen 29 m von der dänischen Firma Norwin
• sollen 12 Stunden am Tag laufen und bis zu 15 Prozent der Gesamtenergie des Gebäudes erzeugen
• drei Windkraftanlagen mit einer Leistung von je 46 kW in einer Höhe von 60, 98 und 136 m, n=38 U/min
http://www.heise.de/tp/blogs/2/106296http://de.wikipedia.org/wiki/Bahrain_World_Trade_Center05.05.2011
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.20 SoSe14
Literaturhinweise und Internetlinks
Gasch, Twele: Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, Teubner-Verlag 2005
http://www.windpower.org/de/tour/wres/index.htm
ftp://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/windpower_dk/
Hersteller:http://www.enercon.dehttp://www.suzlon.comhttp://www.ge.com/de/ourBusiness/infrastructure/energy/wind.html
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.21 SoSe14
Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.22 SoSe14
Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.23 SoSe14
Aufwindkraftwerk in Manzanares Spanien, Turmhöhe 200m, Turm Ø 10 m, Kollektordach Ø 250 m, Leistung 50 kW, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.
Gebaut 1982 – Einsturz durch Orkan 1989
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.24 SoSe14
http://www.welt.de/wissenschaft/article1922564/Bochumer_bauen_das_hoechste_Bauwerk_der_Welt.html
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.25 SoSe14
Darrieus-Windkraftanlage, Ø 19 m, 170 kW, Firma Flowind USA
Darrieus-Windkraftanlage (H-Rotor), Ø 35 m, 300 kW, USA
Quelle: Hau, Windkraftanlagen 1997.
http://www.archiexpo.de/prod/ropatec/vertikale-drei-blatt-kleinwindkraftanlagen-darrieus-rotor-62272-160011.html
… Installation auf Hausdach …
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.26 SoSe14
Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit Flettner-Rotor als Segelantrieb, Quelle: Greenpeace.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.27 SoSe14
Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt 29.04.99.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.28 SoSe14
Hong Kong: 40 Turbinen mit in der Summe 960 W bei 5,5 m/s Windgeschwindigkeit
November 2006
http://www.motorwavegroup.com/new/motorwind/it2.html
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.29 SoSe14
Buch der Synergie – exotische Designshttp://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.30 SoSe14
Buch der Synergie – exotische Designshttp://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.31 SoSe14
Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.32 SoSe14
400 kW Wellenkraftwerk, Kvaerner Brug A.S., Oslo (1985), mit Wells-Turbine, die unabhängig von der Durchströmungsrichtung in die selbe Richtung rotiert. (Quelle: VDI 1985) oder www.itpower.co.uk/itpmarin.htm.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.33 SoSe14
Leistungsberechnung einer WKA
(siehe auch Schade/Kunz/Paschereit/Kameier Strömungslehre, LE 6.5)
1/3 c
c
1 2
1/3 c
c
1 2
Freistrahlturbine
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.34 SoSe14
Leistung einer Strömungsmaschine
YmP
zgp
2
ccY
22
21
mit 0z 0p und
22
21Rotor
222
21 ccc
4
D
2
1ccm
2
1YmP
- mittlere Geschwindigkeit vor und hinter dem Rotor 2
ccc 21
Rotor
22
2121
2
cccc4
D
4P
zentraler Gedanke von
Rankine und Froude 1865/1889
http://en.wikipedia.org/wiki/Momentum_theory
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.35 SoSe14
Maximum der Leistung 2cPP
0cccc4
D
4dc
d
dc
dP 22
2121
2
22
0ccccdc
d 22
2121
2
0ccccccdc
d 32
212
221
31
2
0c3ccc2 22
2121
0c3cc2c 2212
21
22
222
b,a1 c34
c2
2
c2c
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.36 SoSe14
22
222b,a1 c3ccc
22b,a1 c2cc
2a1 cc Minimum für P
2b1 c3c gesuchtes Maximum 3
cc 1
2
Leistung der Windkraftanlage
2
121
11
2
c9
1c
3
cc
4
D
4P
21
12
c9
8
3
c4
4
D
4P
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.37 SoSe14
21
12
c9
8
3
c
4
DP
21
31
2
cm27
8c
27
8
4
DP
Die Leistung der Windkraftanlage steigt mit der dritten Potenz.
22
21 ccm
2
1YmP
0c2 mit
21cm
2
1P P6.0P
27
16Poder
Eine Windkraftanlage kann theoretisch maximal 60 % der vorhandenen Windenergie nutzen.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.38 SoSe14
1/3 c1
c1
1/3 c1
c1
Geschwindigkeitsdreiecke einer Windkraftanlage
Die Skizze geht aus von den Beträgen der Geschwindigkeiten im Absolutsystem.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.39 SoSe14
Es folgt die Festlegung der An- und Abströmrichtungen.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.40 SoSe14
Die Umfangsgeschwindigkeit und eine drallfreie Anströmung werden eingezeichnet.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.41 SoSe14
Das Schaufelprofil wird gemäß An- und Abströmung konstruiert, der Drall am Austritt ist negativ.
u2=u1
c2x=1/3 c1
c = w + u
Y=u(c1u - c2u )w1
u1
c1
u2=u1
c2x=1/3 c1
c = w + u
Y=u(c1u - c2u )w1
u1
c1
Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.42 SoSe14
u2=u1
c2x=1/3 c1
c = w + u
Y=u(c1u - c2u )w1
u1
c1
u2=u1
c2x=1/3 c1
c = w + u
Y=u(c1u - c2u )w1
u1
c1
Negativer Drall!
Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.
c2u u2u1 ccuY
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.43 SoSe14
Die vom Rotor erfasste Stromröhre hat gemäß der Kontinuitätsgleichung stromauf des Rotors einen kleineren Querschnitt als stromab des Rotors:
Bild aus: Spurk, Aufgaben zur Strömungslehre, 1996.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.44 SoSe14
Wie weit stromauf einer Anlage macht sich die Stromröhrenaufweitung bemerkbar?
Bild aus: http://mv.fh-duesseldorf.de/d_pers/Kameier_Frank/a_abschlussarbeiten/131031_MasterThesis_Gottschald.pdf.
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.45 SoSe14
WKA - Pitch geregelt
0
200
400
600
800
1000
1200
0 5 10 15 20 25
c [m/s]
P[k
W]
Windleistung(P~c 3̂) Anlage 5% Overspeeding
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.46 SoSe14
Aufbau einer Gondel - mit Getriebe
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un
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Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.47 SoSe14
Aufbau einer Gondel – ohne Getriebe
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Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.48 SoSe14
WKA ohne Getriebe
Quelle: www.enercon.de
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.49 SoSe14
Die Technik - 500 Mal mehr Energieertrag seit 1980
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Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.50 SoSe14
Die gegenwärtig größten Windenergieanlagen der Welt.
Enercon E-112 Repower 5M Multibrid M5000
Nennleistung 4,5 MW 5 MW 5 MW
Nabenhöhe 112 Meter 120 Meter 102,6 Meter
Rotordurchmesser 114 Meter 126 Meter 116 Meter
Standorte 5 Anlagen(Emden, Wilhelmshaven, etc.)
1 Anlagen(Brunsbüttel)
1 Anlagen(Bremerhaven)
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Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.51 SoSe14
Kleine Windenergieanlage für das Testfeld der FH Düsseldorf (Neubau Derendorf)
350 Watt 1,22 m
Einschaltgeschwindigkeit 3,5 m/s (=12,6 km/h)
typische Masthöhe 6 m
http://www.superwind.com/swe/index.htm
Frank Kameier - Strömungstechnik II http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de Folie VL4/ Nr.52 SoSe14
Vortex Hydro Energy (Michael Bernitsas, www.memagazine.org, April 2010)
http://www.vortexhydroenergy.com/
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