VL 5 - Windenergie

Question 1

Beschreibung des Windangebots

Answer 1

• Windgeschwindigkeit wird durch Weibull-Verteilung beschrieben
• Windgeschwindigkeiten sind stark höhenabhängig
• Die Dichte- und Verteilungsfunktion zur Beschreibung des Windangebots sind von der Geschwindigkeit abhängig.

Folien 6 und 7

Question 2

Hellmann-Exponent

bei der Berechnung von Windgeschwindigkeit

Answer 2

Abhängig von der Geländeoberfläche

Question 3

Angebotsfluktuation

Answer 3

• im Winter gibt es ein größeres Angebot als in Sommer
• das Windangebot im Winter gleicht die Jahresschwankung der Photovoltaik-Stromproduktion teilweise aus.
• jahreszeitliche Schwankungen werden durch Fluktuationen auf Wochen-/Tagesebene überlagert.

Question 4

Wonach werden Windkraftanlagen klassifiziert?

Answer 4

Achsausrichtung:
- horizontale Ausrichtung
     → Einflügler
     → Zweiflügler
     → Dreiflügler
- vertikale Ausrichtung
     → Darrieus-Rotor
     → Savonius-Rotor

Antriebsprinzip:
- Auftriebskonventer:
     → Einflügler
     → Zweiflügler
     → Dreiflügler
     → Darrieus-Rotor
- Widerstandsprinzip:
     → Savonius-Rotor

• Flügelanzahl
  → Einflügler
  → Zweiflügler
  → Dreiflügler

Question 5

Ein- und Zweiflügler

Vor- und Nachteile

Answer 5

Vorteile:
+ günstigere Herstellung (weniger Flügel)
+ geringes Rotorgewicht
+ höhere Rotorfrequenz (geringeres Drehmoment, geringerer Materialaufwand für Getriebe und Generator)
+ größere Anlagen möglich, da Materialkonzentration
+ potential für Offshore-Anwendungen: Lärmemissionen weniger relevant + einfachere Installation

Nachteile:

• größere Randwirbelverluste
• hohe Geräuschemissionen (aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeit)

Question 6

Dreiflügler

Vor- und Nachteile

Answer 6

Vorteile:
+ höhere theoretischer Wirkungsgrad (nimmt mit der Anzahl der Flügel zu)
+ geringere Geräuschemissionen
+ Schwingungsdynamik einfacher beherrschbar (geringere Wechsellasten)
+ erprobte Technik

Nachteile:

• höhere Material- und Fertigungskosten
• aufwendige Montage bei Offshore-Anlagen

Question 7

Darrieus-Rotor

Vor- und Nachteile

Answer 7

Vorteile:
+ keine WIndrichtungsnachführung notwendig
+ keine Blattverstellung notwendig
+ Getriebe und Generator können am Boden installiert werden
+ Blatt nach Prinzip der Kettenlinie geformt (nur Zugspannungen, keine Biegemomente)

Nachteile

• höhere Anlaufgeschwindigkeit (4-5 m/s)
• kein automatischer Anlauf (Motor notwendig)
• geringere Wirkungsgrade (Leistungsbeiwerte bis 40%)
• anfällig für Schwingungen

Question 8

Savonius-Rotor

Vor- und Nachteile

Answer 8

Vorteile:
+ weder Windrichtungsnachführung noch Blattverstellung notwendig
+ Getriebe und Generator können am Boden installiert werden
+ automatischer Anlauf (zum Antrieb von Darrieus-Rotoren verwendet)
+ geringe Anlaufgeschwindigkeit (ab 2 m/s)

Nachteile:

• geringe Leistung
• hoher Materialbedarf (Schaufelgröße)

Question 9

Betz-Faktor

Answer 9

Der Luft kann nicht die gesamte kinetische Energie entzogen werden.

Die theoretische Höchstgrenze ist der Betz-Faktor.

Question 10

Annahmen zur Herleitung des Betz-Faktors

Answer 10

• Luft wird als inkompressibles Fluid betrachtet.
• Rotor ist unendlich dünne Scheibe, die dem Fluid kinetische Energie entzieht.

Folien 20-21

Question 11

Leistungsbeiwert cp

Answer 11

Verhältnis von elektrischer Abgabeleistung der Windkraftanlage und der eingehenden Windleistung (beide flächenbezogen). Er ergibt sich zwischen der Einschalt- und der Nenngeschwindigkeit.

c_p_max = 0,593

Question 12

Für welches Geschwindigkeitsverhältnisx wird der Leistungsbeiwert maximal?

Answer 12

Folie 22

Question 13

Schnelllaufzahl

Answer 13

Wichtige aerodynamische Auslegungsgröße.

λ = f(u, v, n_rot, R_rot)

u = Umfangsgeschwindigkeit der Blattspitze
v = Windgeschw.
n_rot = Drehzahl des Rotors
R_rot = Radius des Rotors

Folie 23

Question 14

Verlustmechanismen bei WKA

Answer 14

• physikalisch nicht entnehmbare Leistung (Betz-Gesetz) = ca. 40%
• zusätzliche aerodynamische Verluste (Rotor) = 15%
• mechanische Verluste (Lager und Getriebe) = 2%
• elektrische Verluste (Generator, Kabel, Transformator) = 4%

Etwa 38 % der kinetischen Energie des Windes kann ins Stromnetz eingespeist werden

Question 15

Leistungskennlinie

Answer 15

Folien 25-29

Question 16

Mechanische Belastungen

Answer 16

Skizzen Folie 30

• stationäre Belastungen
• stochastische Belastungen
• periodisch wechselnde Belastungen:
  → Höhenprofil
  → Schräganströmung
  → Turmschatten (bei luvseitigem Rotor)
  → Gewichtskräfte
  → Kreisel- und Corioliskräfte

Question 17

Regelungsstrategien

Answer 17

Stallregelung: die maximal vom Wind entnehmbare Leistung wird durch einen Strömungsabriss begrenzt.

• pasive Stallregelung: Rotorblätter sind starr mit Rotomabe verbunden und ihr Profil so ausgelegt, dass es ab einer bestimmten Windgeschw. zum Strömungsabriss kommt.
• aktive Stallregelung: Rotorblätter sind um ihre Längsachse drehbar. Bei Überschreiten einer bestimmten Windgeschw. wird der Strömungsabriss durch Erhöhung des Anstellwinkels aktiv herbeigeführt.

Pitchregelung: bei Überschreiten der Nennleistung werden die Rotorblätter um ihre Profilachse leicht aus dem Wind gedreht.

Bei Windgeschwindigkeiten 𝑣 > 𝑣_N wird die Leistung auf die Nennleistung begrenzt.
Zum Abschalten werden die Rotorblätter in Fahnenposition gestellt. Heutzutage gängige Praxis.

Question 18

Profilströmung bei Pitchregelung

Answer 18

Neigungswinkel (β, Pitch Angle): Winkel zwischen Profilsehne und Bewegungsrichtung.

Relativer Anströmwinkel (α, Angle of Attack): Winkel zwischen Profilsehne und relativer Anströmrichtung.

Bei Windgeschwindigkeiten 𝑣_𝑊 gleich / unterhalb der Nenngeschwindigkeit ist der

• Neigungswinkel 𝜷 klein
• Relativer Anströmwinkel 𝜶 groß (möglichst große Auftriebskraft)

Bei Windgeschwindigkeiten 𝑣_𝑊 oberhalb der Nenngeschwindigkeit ist der

• Neigungswinkel 𝜷 groß
• Relativer Anströmwinkel 𝜶 klein (Leistungsbegrenzung, 𝐹_𝐴 kleiner, 𝐹_𝐴,𝑡 = const.)

Question 19

WKA ohne Getriebe

Answer 19

Direkt Generator

+ keine Getriebe nötig
+ weniger Wartungsarbeiten wegen weniger Komponenten (gut bei Offshore)

• Generator größer und teuerer

Question 20

Synergie-Effekt im Windpark

Answer 20

• Schaffung von Infrastruktur zum Bau (Wegenetz, etc.)
• gemeinsame elektrische Anbindung ans Stromnetz
• geringerer logistischer Aufwand bei der Errichtung

Question 21

WAKE-Verluste

Answer 21

aerodynamische Abschattung vermindert Ertrag der einzelnen Windkraftanlagen

Notwendiger Mindestabstand:

• 5-facher Rotordurchmesser in Hauptwindrichtung
• 3-facher Rotordurchmesser in Nebenwindrichtung

Question 22

Vorteile und Nachteile von Windkraft auf dem Meer (Offshore) gegenüber Nutzung an Land (Onshore):

Answer 22

Vorteile:
\+ Höhere Windgeschwindigkeit
\+ Weniger Turbulenz
\+ Höheres Platzangebot als an Land
\+ Höhere Akzeptanz
\+ Großes Ausbaupotential

Nachteile:
–Große Entfernung zur Küste (> 30 km)
–Aufwändige Fundamente (Wassertiefen > 30 m)
–Rauere Umweltbedingungen (Salzwasser, Wellen, Stürme)
–Zugänglichkeit und Logistik (Schiff, Helikopter)
–Finanzierbarkeit großer Windparks
–Schutz von Flora und Fauna

Question 23

Offshore-Windpark

Answer 23

• Wechselstrom mehrerer Windkraftanlagen wird in einer Substation zusammengeführt.
• Der Strom mehrerer Substations wird zu einem Transformator geleitet, welcher den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
• Dieser wird verlustarm bis zur Küste transportiert, wo er wieder in Wechselstrom zum Weitertransport umgewandelt wird.

Question 24

Repowering

Answer 24

Ersatz alter Anlagen durch moderne, effizientere Anlagen:

• höhere Leistung/Ertrag
• (trotzdem) geräuschärmer
• wartungsärmer, zuverlässiger
• wesentlich stromnetzverträglicher

Question 25

Umweltauswirkungen von WKA

Answer 25

• Veränderung des Landschaftsbildes
• Schattenwurf
• Schallemissionen
• Flächenverbrauch
• Störungen von Funk und Fernsehen, Radar
• Vogel-/Fledermausschlag (Artenschutzgutachten zur Errichtung notwendig)

Question 26

Veränderung des Landschaftsbildes

Answer 26

→ Größe der WKA
→ Art der Landschaft: offene Gebiete (Felder) oder geschlossene Gebiete (Bebauung, Wald)
→ psychologische Faktoren

Question 27

Schattenentwurf

Answer 27

periodische Helligkeitsschwankungen und störende Reflexionen

Question 28

Schallemissionen

Answer 28

primäre Geräuschquelle ist die aerodynamische Umströmung des Rotors.

• Kennzahl für die Geräuschintensität am Ort der Wahrnehmung ist der Schalldruckpegel dB(A)
• Abhängig von:
  → Größe der Anlage
  → Blattspitzengeschw. (Geräuschemissionen steigen mit der 5. Potenz der Flügelgeschw.)
• Schallausbreitung abhängig von:
  → Eigenschaften der Schallquelle (Ton-/Impulshaltigkeit)
  → Geometrie des Schallfeldes (Höhe und Entfernung der Quelle)
  → Topographie (Geländeform, Bewuchs, Bebauung)
  → Witterungsbedingungen (Windrichtung und -geschwindigkeit, Luftfeuchtigkeit, Temperatur)

Question 29

Flächenverbrauch

Answer 29

Im Vergleich zu anderen regenerativen Energien geringer Flächenbedarf.

Trotzdem wenig Raum zur Planung neuer Anlagen aufgrund der geforderten Abstände zur Wohnbebauung.