Windenerg2 (Ertragsermittl., Leistungsreg. (Stall,Pitch))

Question 1

Windhistrogramm

Was ist ein Windhistogramm?

Answer 1

Eine Häufigkeitsverteilung der Windgeschw.
-> es ist eine komprimierte Darstellung der Windbedingungen (mehrjährige Messungen mit tausenden von Einzelwerten)

Question 2

Windhistogramm

Was wird bei einem Windhistogramm gemacht?

Answer 2

Es findet eine klassenweise Sortierung und Aufsummierung statt (zur Darstellung der Windbed.)

Question 3

Über was kann mit einem Windhistogramm eine Aussage getroffen werden?

Answer 3

Aussage über wie viele Zeitanteile der Gesamtzeit die jeweilige Windgeschw. herrscht.

-> Bsp. siehe slide 33

Question 4

Ertragsermittlung

Die Häufigkeitsverteilung kann mit Hilfe von was mathematisch beschrieben werden?

Answer 4

Weibull Häufigkeitsverteilung

Question 5

Wie lautet die Weibull Verteilungsfunktion?

Answer 5

hsubw (v) = (k/A) x (v/A)^(k-1) x exp (-(v/A)^k)

Mit:
v: bestimmte Windgeschw.
h: relative Häufigkeit
A: Skalierungsfaktor
k: Formfaktor

Question 6

Weibull Verteilungsfunktion:

hsubw (v) = (k/A) x (v/A)^(k-1) x exp (-(v/A)^k)

Für was steht A, für was ist es ein Maß und welche Einheit besitzt es?

Answer 6

Skalierungsfaktor
–> Maß für die charakteristische (NICHT mittlere) Windgeschw.
-> Einheit: [m/s]

Question 7

Weibull Verteilungsfunktion:

hsubw (v) = (k/A) x (v/A)^(k-1) x exp (-(v/A)^k)

Für was steht k und was beschreibt er?

Answer 7

k: Formfaktor
–> beschreibt die Form der Verteilung und variiert für verschiedene Windklimata

z.B.:
- k ungefähr 1 in arktischen Region
- k ungefähr 2 in Station in Mitteleuropa
- k ungefähr 3-4 in Passatwindregion

(siehe auch slide 34)

Question 8

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Die Weibull Verteilungsfunktion ist eine rein mathematische Gleichung, die nicht für Windzwecke entworfen wurde. Sie wird auch in anderen Bereichen angewandt.

Man hat aber erkannt, dass diese Verteilungsfunktion die Charakteristiken der Windverteilung sehr gut beschreibt, darum ist sie anwendbar.

Answer 8

…

Question 9

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Die Weibull Verteilungsfunktion ist im Wesentlichen abhängig von 3 Parametern. Welchen?

Answer 9

v: Windgeschwindigkeit
A: Skalierungsfaktor
k: Formfaktor

Question 10

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Wenn man den Skalierungsfaktor A und den Formfaktor k gegeben hat und nun für eine bestimmte Höhe die Weibull-Verteilungsfkt. verwenden möchte, was gilt es dabei hinsichtlich der beiden Faktoren zu beachten?

Answer 10

Es sollte geprüft werden, ob der Skalierungsfaktor A für die geplante Nabenhöhe vorliegt oder ob A erst mit Hilfe des logarithmischen Windprofils und des gegebenen A für die gewünschte Höhe umgerechnet werden muss

Es sollte geprüft werden, ob der eigenen Standort dem Standort für den k vorliegt entspricht.

Question 11

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Der Skalierungsfaktor A unterliegt den gleichen Bedingungen wie eine Windgeschwindigkeit, weil die Einheit auch m/s ist.

Für A gilt also auch das logarithmische Windprofil.
A nimmt also auch wie Windgeschw. mit der Höhe zu. (Weil ja am Boden aufgrund der Bodenrauigkeit mehr Turbulenzen und dadurch geringere Windgeschw. auftreten)

Answer 11

…

Question 12

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Wenn man den Skalierungsfaktor A für eine bestimmte Höhe sowie den Formfaktor k für einen gewissen Standort gegeben. Kann man nun die beiden Faktoren bei Berechnung mit der Weibull Verteilungsfunktion verwenden, wenn der Standort gleich bleibt, aber die Höhe sich veränder?

Answer 12

NEIN, nur der Formfaktor k bleibt gleich
-> Der Skalierungsfaktor A muss mit Hilfe des logarithmischen Windprofils für die gewünschte Nabenhöhe angepasst werden!

Question 13

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Zwischen den Weibull-Parametern A und k und der mittleren Windgeschwindigkeit gilt näherungsweise was?

Answer 13

mittlere Windgeschw. (vStrich)

A x (0,568 + (0,434/k))^(1/k)

(siehe slide 35)

Question 14

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Mit Hilfe der Weibull-Parameter A und k kann auch die mittlere Windgeschw. (vStrich) näherungsweise bestimmt werden.

Wahr/Falsch?

Answer 14

Wahr

Question 15

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Im Sonderfall k=2 passiert was?

Answer 15

die Weibull-Verteilungsfunktion vereinfacht sich auf die Rayleigh-Verteilungsdichte
–> einziger Parameter ist dann die mittlere Windgeschwindigkeit

(siehe slide 6)

Question 16

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Die Weibull-Verteilungsfunktion vereinfacht sich auf die Rayleigh-Verteilungsdichte
–> einziger Parameter ist dann die mittlere Windgeschwindigkeit

Bei welchem Formfaktor tritt dieser Sonderfall auf?

Answer 16

k = 2

Question 17

hsubR(v)

Formel der Rayleigh-Verteilungsdichte:

(pi / 2) x (v/vStrich)^2 x exp (-(pi/4) x (v/vStrich)^2)

–> also der einzige Parameter hier nur noch die mittlere Windgeschw. vStrich!

(siehe slide 36)

Answer 17

…

Question 18

An einem Standort an dem der Formfaktor k = 2 ist benötigen wir den Skalierungsfaktor A nicht. Warum?

Answer 18

Weil bei k = 2 sich die Weibull Verteilungsfkt. auf die Rayleigh-Verteilungsdichte vereinfacht.

Bei der Formel zur Berechnung der Rayleigh-Verteilungsdichte wird der Parameter A nicht mehr benötigt. Einziger Parameter ist die mittlere Windgeschw.

Question 19

Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.

Möchte man eine mathematische Verteilungsfunktion für die Ertragsberechnung nutzen sollten folgende Kriterien erfüllt sein: ?? (2)

Answer 19

Die mathematische Verteilung und die beobachtete Verteilung sollten annährend gleich sein

Die Häufigkeitssumme sollte als Prüfsumme immer 1 ergeben

(slide 37 ansehen)

Question 20

Ertragsermittlung - Leistungskennlinie einer Windturbine

Bsp. für alte Anlage siehe slide 38

Answer 20

…

Question 21

Ertragsermittlung - Leistungskennlinie einer Windturbine

Bsp. für neue Anlage siehe slide 39

Answer 21

…

Question 22

Zeichne den Verlauf einer typischen Leistungskennlinie (bzw. Leistungskurve) einer Windkraftanlage und markiere alle relevanten Punkte und Bereiche!!!

Answer 22

-> Zur Kontrolle siehe slide 39!!

(unbedingt Nennleistung, Cut-in speed (bzw. Einschaltgeschw.), Nennwindgeschwindigkeit, Cut-out speed (bzw. Abschaltwindgeschw.), Teillastbereich, Volllastbereich kennzeichnen)

Question 23

Wie nennt man die Geschwindigkeit bei der das erste mal die Nennleistung erreicht wird?

Answer 23

Nennwindgeschwindigkeit

Question 24

Cut-out-Windgeschwindigkeit

Ab dieser Geschwindigkeit würde die Belastung auf die Anlage zu hoch werden, weshalb die Rotorblätter aus dem Wind gedreht werden, um die Sicherheit zu gewährleisten. Die Leistung fällt auf welchen Wert?

Answer 24

NULL

Question 25

Die Leistungskennlinie bzw. Leistungskurve einer Windkraftanlage gibt was an?

Answer 25

wie hoch die abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit ist

Question 26

Cut-in speed (Einschaltgeschw.) und cut-out speed (Abschaltgeschw.) sind Grenzwerte für was?

Answer 26

für den Betrieb

Question 27

Die Nennleistung (Rated power output) ist immer wodurch vorgegeben?

Answer 27

vom Generator und seiner Bauart.

Question 28

Die Nennleistung (Rated power output) ist immer vom Generator und seiner Bauart vorgegeben und entspricht seiner?

Answer 28

maximal dauerhaft erzeugbaren elektrischen Leistung

Question 29

Im Teillastbereich ist die Drehzahl flexibel für?

Answer 29

maximale Effizienz

Question 30

Volllastbereich

Um den Generator vor Überdrehzahl zu schützen wird ab Erreichen der Nenngeschwindigkeit was gemacht?

Answer 30

Die Neigungswinkel der Flügel werden angepasst.
-> dabei wird der aerodynamische Wirkungsgrad (csubp) der Blätter verschlechtert. (Stall- und Pitch-Regelung)

Question 31

Ertragsermittlung - Energieertrag

Wie wird letztlich der Energieertrag berechnet?

Answer 31

gesamter Energieertrag (Etotal)
= Summe der Energieerträge der einzelnen Windklassen (vsubi) (Esubi) für den betrachteten Zeitraum
= Stundenanzahl der Periode (T) x Summe aus (Wert aus Häufigkeitsverteilung für Windklasse i x Leistung der Windklasse (vsubi))

(siehe Formel und Diagramme slide 41!!)

Question 32

Was wird zur Ertragsermittlung bei einer neu zu errichtenden Windkraftanlage benötigt?

Answer 32

relative Häufigkeit aus Windhistogramm mit Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit
-> erzeugt aus Messwerten oder errechnet aus Weibull-Verteilungsfkt. oder Rayleigh-Verteildichte

Leistungskennlinie (Leistungskurve) einer Windkraftanlage, die zum Standort gut passen dürfte

(siehe slide 41!)

Question 33

Zur Ertragsermittlung eines gesamten Windparks werden Informationen aus allen Himmelsrichtungen benötigt.

Man benötigt/verwendet dafür?

Answer 33

Rosen
-> z.B. Häufigkeitsrose, Energierose, Windgeschw.rose

Question 34

Ertragsermittlung - Windrosen

Beschreibe den Aufbau einer Windgeschwindigkeitsrose

Answer 34

In der Windrose sind die ermittelten mittleren Windgeschwindigkeiten (z.B. mit Schalenkreuzanemometer und Windfahne gemessen und ermittelt) in m/s gegeben. Sie sind jeweils richtungsabhängig in Sektoren (Himmelrichtung mit Geschw.) dargestellt.

siehe Beispiel auf slide 42!!!

Question 35

Ertragsermittlung - Windrosen

Was zeigt die Häufigkeitsrose?

Answer 35

Zeigt die Häufigkeitsverteilung der Windrichtung

(Zusätzlich zu den Himmelsrichtungen und den mittleren Windgeschwindigkeiten ist auch die Häufigkeitsverteilung abgebildet.
-> Man erhält die Häufigkeiten des Windes mit Windgeschw. nach Himmelsrichtung)

slide 43 ansehen!!

Question 36

Ertragsermittlung - Windrose

Energierose ermöglicht was?

Answer 36

Eine Ausrichtung nach der höchsten Windgeschwindigkeit (geht als dritte Potenz ein)

(siehe slide 44!!)

Question 37

Energieertrag eines Windparkt.

1) Wenn die Windrichtung parallel zur Reihe an Windturbinen verläuft, dann hat das welchen Effekt auf die Windräder?

2) Wenn die Windrichtung senkrecht zur Windturbinen-Reihe verläuft, dann hat das welchen Effekt auf die Windräder?

3) Aus diesem Grund ist es immer wichtig was zu wissen?

Answer 37

1) Erste Windturbine in der Windrichtung hat die höchste Leistung, weil sie ungestörte Windgeschw. abbekommt. Die nachfolgenden Windturbinen weisen dagegen geringere Leistungen auf (Grund: Verschattung)

2) Alle Windturbinen erbringen die gleiche Leistung, weil sie gleich gute Einströmverhältnisse haben

3) Aus welcher Richtung der Wind meistens kommt, um entsprechend den Windpark möglichst effizient zu gestalten

(siehe slide 46!!)

Question 38

Anhand der Leistungskurve einer Windkraftanlage erkennt man, dass diese in der Lage ist ab einer Nenngeschwindigkeit eine konstante Leistung (Nennleistung) beizubehalten.

Wie wird dies ermöglicht?

Answer 38

Durch Leistungsregelung (Stall-Regelung (normal und active), Pitch-Regelung)

Question 39

Leistungsregelung - Stall

Die Stall-Regelung kann nochmals unterteilt werden in? (2)

Answer 39

den ganz normalen Stall

den active Stall

Question 40

Leistungsregelung - Stall

Beschreibe sehr kurz die Stall-Regelung!

Answer 40

Die Stall-Regelung reduziert die Leistung einer WKA ab Windgeschw. höher als die Auslegungswindgeschw. durch Strömungsablösung am Rotorblatt

Question 41

Die ?? reduziert die Leistung einer WKA ab Windgeschw. höher als die Auslegungswindgeschw. durch Strömungsablösung am Rotorblatt

Answer 41

Stall-Regelung

Question 42

Leistungsregelung - Stall

Beschreibe den wie die Stall-Regelung funktioniert!

Answer 42

Bei höheren Windgeschwindigkeiten vergrößert sich der Anströmwinkel alphasubA zwischen der Profilsehne und der relativen Anströmgeschw. c.
-> Die Umfangsgeschw. u bleibt konstant, weil der Rotor sich nicht schneller drehen soll

Wenn dieser Anströmwinkel zu groß wird (ab der Nennwindgeschw.), wird das Profil so steil angeströmt, dass die Strömung dem Profilverlauf nicht mehr folgen kann.
-> Es kommt zu Ablöseerscheinungen (stark turbulente Verwirbelungen)

Der Teil über dem Profil an dem Ablöseerscheinungen auftreten, kann nicht mehr zur Auftriebskraft beitragen, weil die Auftriebskraft im Wesentlichen durch das Unterdruckgebiet über und das Überdruckgebiet unter dem Profil entsteht und die starken turbulenten Verwirbelungen (Ablöseerscheinungen) einen Druckausgleich schaffen, sodass an dem Teil mit Ablöseerscheinungen über dem Profil kein Unterdruckgebiet mehr vorliegt. Dadurch trägt dieser Teil auch nicht mehr zur Auftriebskraft bei!

Die Ablöseerscheinung steigt dabei mit steigender Windgeschwindigkeit ab der Nennwindgeschw.. Es trägt also immer weniger vom Profil zur Auftriebskraft bei, welche allerdings konstant bleibt, weil dies durch die höhere Anströmgeschw. (durch höhere Windgeschw.) ausgeglichen wird.

Der beschriebene Effekt (Stall-Effekt) wird automatisch erzeugt. Das Rotorblatt muss nicht in irgendeiner Art angesteuert werden, sondern ab der Nennwindgeschw. treten die Ablöseerscheindungen erstmalig auf.
-> Ermöglicht wird dies durch dafür vorab aerodynamisch optimierte Profile

(siehe slide 48+49!!)

Question 43

Leistungsregelung - Stall

Der beschriebene Effekt (Stall-Effekt) wird automatisch erzeugt. Das Rotorblatt muss nicht in irgendeiner Art angesteuert werden, sondern ab der Nennwindgeschw. treten die Ablöseerscheinungen erstmalig auf.

Wodurch wird dies ermöglicht?

Answer 43

Durch die Konstruktion aerodynamisch optimierter Profile

Question 44

Bei höheren Windgeschwindigkeiten vergrößert sich der ?(1)? zwischen der Profilsehne und der relativen Anströmgeschw. c.
-> Die ?(2)? bleibt konstant, weil der Rotor sich nicht schneller drehen soll

Wenn dieser Anströmwinkel zu groß wird (ab der Nennwindgeschw.), wird das Profil so steil angeströmt, dass die Strömung dem Profilverlauf nicht mehr folgen kann.
-> Es kommt zu ?(3)?

Der Teil über dem Profil an dem Ablöseerscheinungen auftreten, kann nicht mehr zur Auftriebskraft beitragen, weil die Auftriebskraft im Wesentlichen durch das Unterdruckgebiet über und das Überdruckgebiet unter dem Profil entsteht und die starken turbulenten Verwirbelungen (Ablöseerscheinungen) einen Druckausgleich schaffen, sodass an dem Teil mit Ablöseerscheinungen über dem Profil kein Unterdruckgebiet mehr vorliegt. Dadurch trägt dieser Teil auch nicht mehr zur ?(4)? bei!

Die Ablöseerscheinung ?(5)?dabei mit steigender Windgeschwindigkeit ab der Nennwindgeschw.. Es trägt also immer weniger vom Profil zur Auftriebskraft bei, welche allerdings konstant bleibt, weil dies durch die höhere Anströmgeschw. (durch höhere Windgeschw.) ausgeglichen wird.

Der beschriebene Effekt (Stall-Effekt) wird automatisch erzeugt. Das Rotorblatt muss nicht in irgendeiner Art angesteuert werden, sondern ab ?(6)? treten die Ablöseerscheindungen erstmalig auf.
-> Ermöglicht wird dies durch die Nutzung vorab aerodynamisch optimierter Profile

Answer 44

(1) Anströmwinkel alphasubA

(2) Umfangsgeschw. u

(3) Ablöseerscheinungen (stark turbulente Verwirbelungen)

(4) Auftriebskraft

(5) steigt

(6) der Nennwindgeschw.

Question 45

Leistungsregelung - Stall

Detailansicht der Strömung um das Profil mit Strömungsablösung!
–> Zeichne Darstellung auf slide 49!

Answer 45

…

Question 46

Zeichne Darstellungen auf slide 48

Answer 46

…

Question 47

Leistungsregelung - Stall

Detailansicht der Strömung um das Profil mit Strömungsablösung!

Umschlagpunkt ist im Wesentlichen durch die Überströmgeschw. definiert.

Bei einer hohen Wind- und Anströmungsgeschw. ist es wahrscheinlicher, dass der Umschlagpunkt schon früher auftritt, weil die Strömung über dem Profil (auch durch den längeren Weg) nochmals mehr beschleunigt.
Der Bereich in denen die Strömungsablösungen auftreten beginnt entsprechend auch schon früher.

siehe slide 29!!

Answer 47

…

Question 48

Leistungsreglung - Stall

Je höher die Anströmgeschwindigkeit, desto?

Answer 48

früher/schneller tritt der Umschlagpunk auf und desto eher treten auch die Ablöseerscheinungen auf.

Question 49

Bei der normalen Stall-Verfahren wird das Rotorblatt aerodynamisch vorab so optimiert, dass ab der Nenngeschw. der Stall-Effekt automatisch ohne aktive Regelung auftritt und so auch bei steigender Windgeschw. die WKA bei Nennleistung gefahren werden kann. (bis zum cut-out-speed)

Welche Alternative gibt es zu diesem Vorgehen.

Answer 49

active Stall-Verfahren

Question 50

Wie wird aktiv der Stall-Effekt herbeigeführt bei der active Stall-Regelung?

Answer 50

Indem das Profil aktiv gegen den Wind gedreht wird.

(siehe slide 52)

Question 51

https://www.youtube.com/watch?v=Y5T5ZhJQr2o

Answer 51

!!

Question 52

Leistungsregelung

Bei welcher Leistungsregelung treten Ablöseerscheinungen auf? (Stall oder Pitch)

Answer 52

Stall

Question 53

Leistungsregelung - Pitch

Beschreibe die Pitch-Regelung kurz!

Answer 53

Pitch-Regelung reduziert die Leistung einer WKA ab Windgeschwindigkeiten höher als die Auslegungsgeschwindigkeit durch ein Verstellen des Blatteinstellwinkels (das Blatt wird IN den Wind gedreht)

Durch Veränderung des Blatteinstellwinkels wird der Anströmwinkel alphasubA zwischen der Profilsehne und der relativen Anströmgeschwindigkeit c reduziert.

Aufgrund dieser Reduzierung ist die resultierende Kraft/Anströmgeschw. die auf das Blatt wirkt kleiner als ohne Änderung des Blatteinstellwinkels.

–> denn durch den kleineren Anströmwinkel ist die Weglänge über das Profil deutlich kürzer, sodass es zu einer Reduzierung der Strömungsgeschw. über dem Profil kommt und das Unterdruckgebiet über dem Profil konstant gehalten werden kann

–> Also auch hier (wie bei Stall) soll ab einer bestimmten Geschw. (Nenngeschw.) das Unter- und Überdruckgebiet am Profil konstant gehalten werden, sodass der Auftrieb konstant bleibt und damit eine konstante Umfangsgeschwindigkeit u und eine konstante Leistung erreicht wird
-> Dies wird über die active Pitch-Regelung erreicht

(siehe slide 53)

Question 54

Zeichnung auf slide 53 lernen!

Answer 54

…

Question 55

Leistungsreglung

Wann wird die Fahnenstellung (Blatt nahezu komplett in den Wind gestellt) eingenommen?

Answer 55

Ab Cut-Out-Speed

(Es wird kein/fast kein Auftrieb am Profil erzeugt!)

Question 56

Die Cut-Out Geschwindigkeit wird bei modernen Anlagen meist bei etwa ?? m/s erreicht.

Answer 56

25 m/s

Question 57

Unterschied active Stall vs. Pitch

Beim active Stall wird das Rotorblatt aktiv ?(1)? gedreht und der Anströmwinkel alpha ?(2)? sich.

Beim Pitch wird das Rotorblatt aktiv ?(3)? gedreht und der Anströmwinkel alpha ?(4)? sich.

Answer 57

(1) aus dem Wind heraus

(2) erhöht

(3) in den Wind hinein

(4) reduziert

-> siehe Abbildungen slide 54 !!!

Question 58

Welche Leistungsregelungen nutzen die meisten modernen Windkraftanlagen heute?

Answer 58

Pitch-Regelung

Question 59

Warum nutzen die meisten modernen Windkraftanlagen die Pitch-Regelung?

Answer 59

Vor allem, weil eine homogenen Leistungsregelung vorliegt.

Es kann deutlich genauer ab Nennwindgeschwindigkeit die entsprechende Nennleistung angesteuert werden und diese Leistung dann auch ohne nennenswertes Unter- oder Übersteuern gehalten werden.

(siehe slide 55)

Question 60

Was ist die Problematik bei einer Stall-Regelung?

Answer 60

Leistungsregelung ist inhomogen

Denn die Ablöseerscheinungen am Profil treten automatisch auf und beim normalen Stall kann das vorab aerodynamisch optimierte Profil nicht zu 100% garantieren, dass der Nennlastbereich exakt angesteuert und gehalten werden kann. Durch besondere Ereignisse kann es zu einem Über-/Untersteuern kommen.
-> auch bei active stall besser aber auch hier kann nicht 100% exakt die Strömungsablösung vorhergesehen werden und somit eine nicht so gute homogene Leistungsregelung wie bei der Pitch-Regelung ermöglicht werden (denke ich)

(siehe slide 55)

Question 61

Vergleich Pitch, normaler Stall, active Stall

-> slide 54, 55 und zusammengefasst auf letzter Seite!!

Answer 61

…