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WindenergieGrundlagen, Technik und
Forschung
Fachliche Vertiefung Strömungstechnik
Master Simulation- und Experimentaltechnik
M.Marzouki Dezember 2005
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Wind als Energie
• Alle erneuerbaren Energie kommen aus Sonne.
• Temperaturdifferenz als Motor für die Luftzirkulation.
• Warme Luft ist leichter als kalte Luft und steigt deswegen bis in eine Höhe von ungefähr 10 km auf, um sich dann nach Norden und Süden auszubreiten.
Quelle: www.windpower.dkM.Marzouki Dezember 2005
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Leistungskennlinie für verschiedene Rotorbauarten
Quelle: www.fh-bielefeld.de/filemanager/download/408/RE_KAP_2.pdf (S52)M.Marzouki Dezember 2005
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Das Betz‘sche Gesetz
• Das Betz'sche Gesetz besagt, dass eine Windkraftanlage höchstens 16/27 (oder 59%) der kinetischen Energie des Windes in mechanische Energie umwandeln kann.
• Dieses Gesetz stammt von dem deutschen Physiker Albert Betz und wurde von ihm im Jahr 1919 formuliert.
Quelle: www.windpower.dkM.Marzouki Dezember 2005
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Beweis des Betz'schen Theorems
))(1).()(1.(2
1
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1
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1
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2
0
210
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12
21
22
12
21
v
v
v
v
P
P
vAP
vvvvAP
vvmP
vvApktm
Indexm_pkt: Massenstrom: LuftdichteA: Überstrichene FlächeP: Wind entzogene LeistungP0 : Gesamtleistung des Windes ungestörtP/P0 : Cp Leistungsbeiwert
1/3=0,333
0,59
M.Marzouki Dezember 2005
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Der Nachlauf-Effekt einer WKA• In den weiter stromabwärts
gelegenen Gebieten führen Turbulenzen im Wind zu einer Vermischung des langsamen Windes hinter dem Rotor mit dem schnelleren Umgebungs-wind.
• Der Windschatten hinter dem Rotor wird sich deshalb nach und nach auflösen, je weiter wir uns von der Anlage weg-bewegen.
Quelle: www.windpower.dkM.Marzouki Dezember 2005
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Leistungsregelung bei Windkraftanlagen -Pitchregelung-
• Bei einer Anlage mit Blattwinkelregelung misst der elektronische Regler ständig die Leistungs-abgabe der Anlage.
• Wenn diese zu hoch ist, wird dem Blattverstell-mechanismus ein Kommando geschickt, damit er die Rotorblätter sofort leicht aus dem Wind dreht. Umgekehrt werden die Blätter in den Wind gedreht, wenn der Wind wieder nachlässt.
M.Marzouki Dezember 2005
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Leistungsregelung bei Windkraftanlagen -Stallregelung-
• Stallgeregelte Anlagen (Regelung durch Strömungs-abriss)
• Bei stallgeregelten Windkraftanlagen sind die Blätter mit einem fix eingestellten Winkel an die Nabe angeschraubt.
• Die Geometrie der Rotorblattprofile ist hier unter aero-dynamischen Gesichtspunkten ausgelegt, sodass sich bei zu starkem Wind an der windabgewandten Seite der Blätter Turbulenzen bilden.
• Dieser Strömungsabriss (Stall) lässt die den Rotor treibende Auftriebskraft zusammenbrechen.
M.Marzouki Dezember 2005
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Geschwindigkeitsdreiecke WKA-Stallreglung-
1*3/12 cxc
c1
u1
w2 u2
c2
x
)21.( ucucuY
c1u=0Negativer Drall in der Abströmung
M.Marzouki Dezember 2005
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Strömungsabriss
Quelle: www.windpower.dk
• Ab einem gewissen Winkel jedoch verläuft die Luftströmung nicht mehr entlang des Flügel-profils, sondern löst sich davon ab, wie die Grafik zeigt.
• Wenn die Oberfläche eines Rotorblattes nicht ganz glatt ist, so begünstigt das den Strömungsabriss.
• Eine Kerbe im Flügel oder Blatt oder auch nur ein Stück Klebe-band kann ausreichen, um diese Turbulenzen auch bei einem kleinen Anstellwinkel hervorzurufen.
M.Marzouki Dezember 2005
11Quelle: www.enercon.com
Getriebefreie WKA
M.Marzouki Dezember 2005
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Entwicklung von Rotordurchmesser und Nennleistung kommerzieller WKA
Quelle: (Links) Bundesverband für Windenergie. M.Marzouki Dezember 2005
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Offshore- Windpark• Windbedingungen im
Meer. • Geringere Windscherung
bedeutet geringere Naben-höhe.
• Weniger Turbulenzen = längere Lebensdauer der Anlagen.
• Windschatten im Meer. M.Marzouki Dezember 2005
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
M.Marzouki Dezember 2005