Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.1 SoSe14 Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen

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


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


Grundlagen

• Umwandlung von Kinetischer Energie (Bewegungsenergie) zu elektrischer Energie (Strom)

• erneuerbare Energiequelle• Kinetische Energie = Wind


Hochschulstudium


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


Hochschulstudium


www.bine.info


Hochschulstudium


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


Hochschulstudium


http://www.energienpoint.de/erneuerbare-energien/windenergie/wie-funktioniert-eine-windkraftanlage/

Wie funktioniert eine Windenergieanlage?Zu niedriges Niveau für

Hochschulstudium


Win

dges

chw

indi

gkei

t

und

Win

dric

htun

g

RotationWindgeschwindigkeitwird hinter Rotor kleiner

-Richtung ändert sich!


Hochschulstudium


Wind hinter der Anlage

www.klimaskeptiker.info


Hochschulstudium

http://www.aktienboard.com/forum/f10/okostrom-t121639/90#nolink


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!


Hochschulstudium


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.


Hochschulstudium


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.


Hochschulstudium


Welche Anlagentypen gibt es?

Horizontalläufer Vertikalläufer


Hochschulstudium


Horizontalläufer Vertikalläufer

klassisch

http://www.rothaarwind.de/windenergie/mod_content_bildlupe/bild/18/name/enercon/index.html www.neoenergy.at

Vorteil: Windrichtung egal


Hochschulstudium

http://www.rothaarwind.de/windenergie/mod_content_bildlupe/bild/18/name/enercon/index.html

http://www.rothaarwind.de/windenergie/mod_content_bildlupe/bild/18/name/enercon/index.html

http://www.neoenergy.at/wp/wp-content/uploads/2012/09/P%C3%B6chlarn10kW_6.jpg


Exotische Anlagen

http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm

… Nasenpiercing lässt Diode leuchten!



Hochschulstudium



Walze:

Spirale:

Tonne:krumme Flügel:


Frage zu „seltenen Erden“:


Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk

http://www.altaerosenergies.com/

Der elektrische Strom gelangt überdie Halteleinen zum Boden!


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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/Bahrain_WTC_day.JPG


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


Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.


Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.


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


http://www.welt.de/wissenschaft/article1922564/Bochumer_bauen_das_hoechste_Bauwerk_der_Welt.html


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 …

http://img.archiexpo.de/images_ae/photo-g/vertikale-drei-blatt-kleinwindkraftanlage-darrieus-rotor-160021.jpg


Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit Flettner-Rotor als Segelantrieb, Quelle: Greenpeace.


Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt 29.04.99.


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


Buch der Synergie – exotische Designshttp://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm


Buch der Synergie – exotische Designshttp://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm


Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000.


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.


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


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


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


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


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.


1/3 c1

c1

1/3 c1

c1

Geschwindigkeitsdreiecke einer Windkraftanlage

Die Skizze geht aus von den Beträgen der Geschwindigkeiten im Absolutsystem.


Es folgt die Festlegung der An- und Abströmrichtungen.


Die Umfangsgeschwindigkeit und eine drallfreie Anströmung werden eingezeichnet.


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.


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


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.


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.


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


Aufbau einer Gondel - mit Getriebe

Qu

elle

: B

un

de

sve

rba

nd

Win

dE

ne

rgie

e.V

.

h

ttp

://w

ww

.win

d-e

ne

rgie

.de

/


Aufbau einer Gondel – ohne Getriebe

Qu

elle

: B

un

de

sve

rba

nd

Win

dE

ne

rgie

e.V

.

h

ttp

://w

ww

.win

d-e

ne

rgie

.de

/


WKA ohne Getriebe

Quelle: www.enercon.de


Die Technik - 500 Mal mehr Energieertrag seit 1980

Qu

elle

: B

un

de

sve

rba

nd

Win

dE

ne

rgie

e.V

.

h

ttp

://w

ww

.win

d-e

ne

rgie

.de

/


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)

Qu

elle

: B

un

de

sve

rba

nd

Win

dE

ne

rgie

e.V

.

h

ttp

://w

ww

.win

d-e

ne

rgie

.de

/


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


Vortex Hydro Energy (Michael Bernitsas, www.memagazine.org, April 2010)

http://www.vortexhydroenergy.com/

Documents

Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.1 SoSe14 Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen