Windenergie
Grundlagen, Technik und
Forschung
Fachliche Vertiefung Strömungstechnik
Master Simulation- und Experimentaltechnik
M.Marzouki Dezember 2005
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.
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Quelle: www.windpower.dk
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Leistungskennlinie für verschiedene Rotorbauarten
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Quelle: www.fh-bielefeld.de/filemanager/download/408/RE_KAP_2.pdf (S52)
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.
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Quelle: www.windpower.dk
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Beweis des Betz'schen Theorems
Index
m_pkt: Massenstrom
: Luftdichte
A: Überstrichene Fläche
P: Wind entzogene Leistung
P0 : Gesamtleistung des Windes ungestört
P/P0 : Cp Leistungsbeiwert
m _ p kt   . A.
0,59
1
.(v1  v2 )
2
1
.m.(v 21  v 2 2 )
2
1
P  . . A.(v1  v2 ).(v 21  v 2 2 )
4
1
P0  . . A.v12
2
P
1
v
v
 .(1  ( 2 ) 2 ).(1  ( 2 ))
P0
2
v1
v1
P
1/3=0,333
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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 Umgebungswind.
• Der Windschatten hinter dem
Rotor wird sich deshalb nach
und nach auflösen, je weiter
wir uns von der Anlage wegbewegen.
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Quelle: www.windpower.dk
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Leistungsregelung bei Windkraftanlagen
-Pitchregelung• Bei einer Anlage mit Blattwinkelregelung misst
der elektronische Regler ständig die Leistungsabgabe der Anlage.
• Wenn diese zu hoch ist, wird dem Blattverstellmechanismus 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 Strömungsabriss)
• Bei stallgeregelten Windkraftanlagen sind die Blätter mit
einem fix eingestellten Winkel an die Nabe angeschraubt.
• Die Geometrie der Rotorblattprofile ist hier unter aerodynamischen 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
-Stallreglungw2
c2
u2
c 2 x  1 / 3 * c1
Y  u.(c1u  c2u)
c1u=0
Negativer Drall in der Abströmung
u1
c1
x
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Strömungsabriss
• Ab einem gewissen Winkel
jedoch verläuft die Luftströmung
nicht mehr entlang des Flügelprofils, 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 Klebeband kann ausreichen, um diese
Turbulenzen auch bei einem
kleinen Anstellwinkel
hervorzurufen.
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Quelle: www.windpower.dk
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Getriebefreie WKA
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Quelle: www.enercon.com
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Entwicklung von Rotordurchmesser und
Nennleistung kommerzieller WKA
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Quelle: (Links) Bundesverband für Windenergie.
Offshore- Windpark
• Windbedingungen im
Meer.
• Geringere Windscherung
bedeutet geringere
Naben-höhe.
• Weniger Turbulenzen =
längere Lebensdauer der
Anlagen.
• Windschatten im Meer.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.
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