VL 5 - Windenergie Flashcards
- Möglichkeiten der Beschreibung des Windpotentials - Arten von Windkraftanlagen - Betriebscharakteristik von Windkraftanlagen - Leistungsberechnungen durchführen - Aufbau von Windkraftanlagen und Windparks - Umweltauswirkungen, die von Windkraftanlagen ausgehen
Beschreibung des Windangebots
- 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
Hellmann-Exponent
bei der Berechnung von Windgeschwindigkeit
Abhängig von der Geländeoberfläche
Angebotsfluktuation
- 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.
Wonach werden Windkraftanlagen klassifiziert?
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
Ein- und Zweiflügler
Vor- und Nachteile
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)
Dreiflügler
Vor- und Nachteile
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
Darrieus-Rotor
Vor- und Nachteile
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
Savonius-Rotor
Vor- und Nachteile
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)
Betz-Faktor
Der Luft kann nicht die gesamte kinetische Energie entzogen werden.
Die theoretische Höchstgrenze ist der Betz-Faktor.
Annahmen zur Herleitung des Betz-Faktors
- Luft wird als inkompressibles Fluid betrachtet.
- Rotor ist unendlich dünne Scheibe, die dem Fluid kinetische Energie entzieht.
Folien 20-21
Leistungsbeiwert cp
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
Für welches Geschwindigkeitsverhältnisx wird der Leistungsbeiwert maximal?
Folie 22
Schnelllaufzahl
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
Verlustmechanismen bei WKA
- 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
Leistungskennlinie
Folien 25-29
Mechanische Belastungen
Skizzen Folie 30
- stationäre Belastungen
- stochastische Belastungen
- periodisch wechselnde Belastungen:
→ Höhenprofil
→ Schräganströmung
→ Turmschatten (bei luvseitigem Rotor)
→ Gewichtskräfte
→ Kreisel- und Corioliskräfte
Regelungsstrategien
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.
Profilströmung bei Pitchregelung
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.)
WKA ohne Getriebe
Direkt Generator
+ keine Getriebe nötig
+ weniger Wartungsarbeiten wegen weniger Komponenten (gut bei Offshore)
- Generator größer und teuerer
Synergie-Effekt im Windpark
- Schaffung von Infrastruktur zum Bau (Wegenetz, etc.)
- gemeinsame elektrische Anbindung ans Stromnetz
- geringerer logistischer Aufwand bei der Errichtung
WAKE-Verluste
aerodynamische Abschattung vermindert Ertrag der einzelnen Windkraftanlagen
Notwendiger Mindestabstand:
- 5-facher Rotordurchmesser in Hauptwindrichtung
- 3-facher Rotordurchmesser in Nebenwindrichtung
Vorteile und Nachteile von Windkraft auf dem Meer (Offshore) gegenüber Nutzung an Land (Onshore):
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
Offshore-Windpark
- 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.
Repowering
Ersatz alter Anlagen durch moderne, effizientere Anlagen:
- höhere Leistung/Ertrag
- (trotzdem) geräuschärmer
- wartungsärmer, zuverlässiger
- wesentlich stromnetzverträglicher
Umweltauswirkungen von WKA
- Veränderung des Landschaftsbildes
- Schattenwurf
- Schallemissionen
- Flächenverbrauch
- Störungen von Funk und Fernsehen, Radar
- Vogel-/Fledermausschlag (Artenschutzgutachten zur Errichtung notwendig)
Veränderung des Landschaftsbildes
→ Größe der WKA
→ Art der Landschaft: offene Gebiete (Felder) oder geschlossene Gebiete (Bebauung, Wald)
→ psychologische Faktoren
Schattenentwurf
periodische Helligkeitsschwankungen und störende Reflexionen
Schallemissionen
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)
Flächenverbrauch
Im Vergleich zu anderen regenerativen Energien geringer Flächenbedarf.
Trotzdem wenig Raum zur Planung neuer Anlagen aufgrund der geforderten Abstände zur Wohnbebauung.
