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

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1

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0

210

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21

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12

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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

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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.

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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.

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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

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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.

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11Quelle: www.enercon.com

Getriebefreie WKA

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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.

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