Windenerg2 (Ertragsermittl., Leistungsreg. (Stall,Pitch)) Flashcards
Windhistrogramm
Was ist ein Windhistogramm?
Eine Häufigkeitsverteilung der Windgeschw.
-> es ist eine komprimierte Darstellung der Windbedingungen (mehrjährige Messungen mit tausenden von Einzelwerten)
Windhistogramm
Was wird bei einem Windhistogramm gemacht?
Es findet eine klassenweise Sortierung und Aufsummierung statt (zur Darstellung der Windbed.)
Über was kann mit einem Windhistogramm eine Aussage getroffen werden?
Aussage über wie viele Zeitanteile der Gesamtzeit die jeweilige Windgeschw. herrscht.
-> Bsp. siehe slide 33
Ertragsermittlung
Die Häufigkeitsverteilung kann mit Hilfe von was mathematisch beschrieben werden?
Weibull Häufigkeitsverteilung
Wie lautet die Weibull Verteilungsfunktion?
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
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?
Skalierungsfaktor
–> Maß für die charakteristische (NICHT mittlere) Windgeschw.
-> Einheit: [m/s]
Weibull Verteilungsfunktion:
hsubw (v) = (k/A) x (v/A)^(k-1) x exp (-(v/A)^k)
Für was steht k und was beschreibt er?
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)
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.
…
Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.
Die Weibull Verteilungsfunktion ist im Wesentlichen abhängig von 3 Parametern. Welchen?
v: Windgeschwindigkeit
A: Skalierungsfaktor
k: Formfaktor
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?
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.
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)
…
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?
NEIN, nur der Formfaktor k bleibt gleich
-> Der Skalierungsfaktor A muss mit Hilfe des logarithmischen Windprofils für die gewünschte Nabenhöhe angepasst werden!
Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.
Zwischen den Weibull-Parametern A und k und der mittleren Windgeschwindigkeit gilt näherungsweise was?
mittlere Windgeschw. (vStrich)
A x (0,568 + (0,434/k))^(1/k)
(siehe slide 35)
Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.
Mit Hilfe der Weibull-Parameter A und k kann auch die mittlere Windgeschw. (vStrich) näherungsweise bestimmt werden.
Wahr/Falsch?
Wahr
Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.
Im Sonderfall k=2 passiert was?
die Weibull-Verteilungsfunktion vereinfacht sich auf die Rayleigh-Verteilungsdichte
–> einziger Parameter ist dann die mittlere Windgeschwindigkeit
(siehe slide 6)
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?
k = 2
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)
…
An einem Standort an dem der Formfaktor k = 2 ist benötigen wir den Skalierungsfaktor A nicht. Warum?
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.
Ertragsermittlung - Weibull Verteilungsfkt.
Möchte man eine mathematische Verteilungsfunktion für die Ertragsberechnung nutzen sollten folgende Kriterien erfüllt sein: ?? (2)
Die mathematische Verteilung und die beobachtete Verteilung sollten annährend gleich sein
Die Häufigkeitssumme sollte als Prüfsumme immer 1 ergeben
(slide 37 ansehen)
Ertragsermittlung - Leistungskennlinie einer Windturbine
Bsp. für alte Anlage siehe slide 38
…
Ertragsermittlung - Leistungskennlinie einer Windturbine
Bsp. für neue Anlage siehe slide 39
…
Zeichne den Verlauf einer typischen Leistungskennlinie (bzw. Leistungskurve) einer Windkraftanlage und markiere alle relevanten Punkte und Bereiche!!!
-> Zur Kontrolle siehe slide 39!!
(unbedingt Nennleistung, Cut-in speed (bzw. Einschaltgeschw.), Nennwindgeschwindigkeit, Cut-out speed (bzw. Abschaltwindgeschw.), Teillastbereich, Volllastbereich kennzeichnen)
Wie nennt man die Geschwindigkeit bei der das erste mal die Nennleistung erreicht wird?
Nennwindgeschwindigkeit
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?
NULL
Die Leistungskennlinie bzw. Leistungskurve einer Windkraftanlage gibt was an?
wie hoch die abgegebene elektrische Leistung in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit ist
Cut-in speed (Einschaltgeschw.) und cut-out speed (Abschaltgeschw.) sind Grenzwerte für was?
für den Betrieb
Die Nennleistung (Rated power output) ist immer wodurch vorgegeben?
vom Generator und seiner Bauart.
Die Nennleistung (Rated power output) ist immer vom Generator und seiner Bauart vorgegeben und entspricht seiner?
maximal dauerhaft erzeugbaren elektrischen Leistung
Im Teillastbereich ist die Drehzahl flexibel für?
maximale Effizienz
Volllastbereich
Um den Generator vor Überdrehzahl zu schützen wird ab Erreichen der Nenngeschwindigkeit was gemacht?
Die Neigungswinkel der Flügel werden angepasst.
-> dabei wird der aerodynamische Wirkungsgrad (csubp) der Blätter verschlechtert. (Stall- und Pitch-Regelung)
Ertragsermittlung - Energieertrag
Wie wird letztlich der Energieertrag berechnet?
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!!)
Was wird zur Ertragsermittlung bei einer neu zu errichtenden Windkraftanlage benötigt?
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!)
Zur Ertragsermittlung eines gesamten Windparks werden Informationen aus allen Himmelsrichtungen benötigt.
Man benötigt/verwendet dafür?
Rosen
-> z.B. Häufigkeitsrose, Energierose, Windgeschw.rose
Ertragsermittlung - Windrosen
Beschreibe den Aufbau einer Windgeschwindigkeitsrose
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!!!
Ertragsermittlung - Windrosen
Was zeigt die Häufigkeitsrose?
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!!
Ertragsermittlung - Windrose
Energierose ermöglicht was?
Eine Ausrichtung nach der höchsten Windgeschwindigkeit (geht als dritte Potenz ein)
(siehe slide 44!!)
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?
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!!)
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?
Durch Leistungsregelung (Stall-Regelung (normal und active), Pitch-Regelung)
Leistungsregelung - Stall
Die Stall-Regelung kann nochmals unterteilt werden in? (2)
den ganz normalen Stall
den active Stall
Leistungsregelung - Stall
Beschreibe sehr kurz die Stall-Regelung!
Die Stall-Regelung reduziert die Leistung einer WKA ab Windgeschw. höher als die Auslegungswindgeschw. durch Strömungsablösung am Rotorblatt
Die ?? reduziert die Leistung einer WKA ab Windgeschw. höher als die Auslegungswindgeschw. durch Strömungsablösung am Rotorblatt
Stall-Regelung
Leistungsregelung - Stall
Beschreibe den wie die Stall-Regelung funktioniert!
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!!)
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?
Durch die Konstruktion aerodynamisch optimierter Profile
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
(1) Anströmwinkel alphasubA
(2) Umfangsgeschw. u
(3) Ablöseerscheinungen (stark turbulente Verwirbelungen)
(4) Auftriebskraft
(5) steigt
(6) der Nennwindgeschw.
Leistungsregelung - Stall
Detailansicht der Strömung um das Profil mit Strömungsablösung!
–> Zeichne Darstellung auf slide 49!
…
Zeichne Darstellungen auf slide 48
…
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!!
…
Leistungsreglung - Stall
Je höher die Anströmgeschwindigkeit, desto?
früher/schneller tritt der Umschlagpunk auf und desto eher treten auch die Ablöseerscheinungen auf.
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.
active Stall-Verfahren
Wie wird aktiv der Stall-Effekt herbeigeführt bei der active Stall-Regelung?
Indem das Profil aktiv gegen den Wind gedreht wird.
(siehe slide 52)
https://www.youtube.com/watch?v=Y5T5ZhJQr2o
!!
Leistungsregelung
Bei welcher Leistungsregelung treten Ablöseerscheinungen auf? (Stall oder Pitch)
Stall
Leistungsregelung - Pitch
Beschreibe die Pitch-Regelung kurz!
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)
Zeichnung auf slide 53 lernen!
…
Leistungsreglung
Wann wird die Fahnenstellung (Blatt nahezu komplett in den Wind gestellt) eingenommen?
Ab Cut-Out-Speed
(Es wird kein/fast kein Auftrieb am Profil erzeugt!)
Die Cut-Out Geschwindigkeit wird bei modernen Anlagen meist bei etwa ?? m/s erreicht.
25 m/s
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.
(1) aus dem Wind heraus
(2) erhöht
(3) in den Wind hinein
(4) reduziert
-> siehe Abbildungen slide 54 !!!
Welche Leistungsregelungen nutzen die meisten modernen Windkraftanlagen heute?
Pitch-Regelung
Warum nutzen die meisten modernen Windkraftanlagen die Pitch-Regelung?
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)
Was ist die Problematik bei einer Stall-Regelung?
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)
Vergleich Pitch, normaler Stall, active Stall
-> slide 54, 55 und zusammengefasst auf letzter Seite!!
…
