Windenergie Grundlagen, Technik und Forschung

1. WindenergieGrundlagen, Technik und Forschung Fachliche Vertiefung Strömungstechnik Master Simulation- und Experimentaltechnik M.Marzouki Dezember 2005

2. 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.dk M.Marzouki Dezember 2005

3. Leistungskennlinie für verschiedene Rotorbauarten Quelle: www.fh-bielefeld.de/filemanager/download/408/RE_KAP_2.pdf (S52) M.Marzouki Dezember 2005

4. 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.dk M.Marzouki Dezember 2005

5. Beweis des Betz'schen Theorems Index m_pkt: Massenstrom r: Luftdichte A: Überstrichene Fläche P: Wind entzogene Leistung P0 : Gesamtleistung des Windes ungestört P/P0 : Cp Leistungsbeiwert 0,59 1/3=0,333 M.Marzouki Dezember 2005

6. 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.dk M.Marzouki Dezember 2005

7. 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. M.Marzouki Dezember 2005

8. 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. M.Marzouki Dezember 2005

9. w2 u2 c2 u1 c1 x Geschwindigkeitsdreiecke WKA-Stallreglung- c1u=0 Negativer Drall in der Abströmung M.Marzouki Dezember 2005

10. Strömungsabriss • 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. Quelle: www.windpower.dk M.Marzouki Dezember 2005

11. Getriebefreie WKA Quelle: www.enercon.com M.Marzouki Dezember 2005

12. Entwicklung von Rotordurchmesser und Nennleistung kommerzieller WKA Quelle: (Links) Bundesverband für Windenergie. M.Marzouki Dezember 2005

13. Offshore- Windpark Windbedingungen im Meer. Geringere Windscherung bedeutet geringere Naben-höhe. Weniger Turbulenzen = längere Lebensdauer der Anlagen. Windschatten im Meer. M.Marzouki Dezember 2005

14. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. M.Marzouki Dezember 2005