Prüfungsvorbereitung Windenergie

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1 Prüfungsvrbereitung Windenergie Wind: Entstehung, Beschreibung, Messung Was ist Wind? Ausgleichsströmung der Luftmassen Durch Feuchte- und Temperaturänderungen verursacht Bekannte Windsysteme Glbal: Passat, Mnsum Lkal: Berg-Tal-Winde (Föhn -> warmer Fallwind), Land-See-Winde, katabische Winde (kalte Fallwinde; z.b. Bra in Mntenegr) Tatsächliche in Bdennähe ankmmender Wind wird vr allem durch Kleinstrukturen (Orgraphie) beeinflusst Windgeschwindigkeitsmessung Wind wird durch Richtung und Geschwindigkeit beschrieben Messung durch: Schalenkreuzanemmeter Hitzdrahtanemmeter Ultraschall-Anemmeter Winddaten (zur Planung) Quellen können sein: deutscher Wetterdienst, Windatlas Eurpa, deutsches Windenergie Institut Windgeschwindigkeit in 10 und 25m Höhe gemessen und als 10 min. Mittelwert angegeben Ertragsprgnsen durch Sftware (z.b. WASP -> WIND ATLAS ANALYSIS AND APPLICATION PROGRAMM) der durch Windhistgramme (WEIBULL- Verteilung)

2 Physik der Windenergienutzung Annahmen nach Betz Verlustlse Leistungsentnahme durch Verzögerung der strömenden Luftmassen Die Energieumwandlung findet in einer ebenen Fläche statt Weit vr der Ebene herrscht Windgeschwindigkeit v1, dazwischen v2 und weit dahinter v3 Annahme einer Strmröhre, die sich aufgrund vn Kntinuitätsgründen aufweiten muss Druckänderungen klein -> Dichte nahezu knstant Betrachtung der Geschwindigkeiten V1=v2 -> keine Abbremsung, keine Leistungsentnahme V3=0 -> vllständige Abbremsung, KEINE Leistungsentnahme (nach Kntinuitätsgleichung) Annahme: V2=(v1+v3)/2 Der maximale Leistungsbeiwert Wird erreicht bei v3/v1=1/3 Beträgt 16/27=0,59 Flgerungen aus Therie vn Betz Unklar auf welche Weise die Verzögerung erflgt Auf auftriebsnutzende Windenergieanlagen und Widerstandsläufer anwendbar Windgeschwindigkeit (geht mit dritter Ptenz ein) wichtiger als Fläche (geht linear ein) Technische Nutzung der Windenergie Gliederung der Windkraftanlagen (WKA) Nach Prinzip der Energieumwandlung: Widerstandsläufer Auftriebsläufer Nach Lage der Hauptelemente Luvläufer/Leeläufer Hrizntalachsrtr/Vertikalachsrtr Nach technischen Auslegungsmerkmalen Langsamläufer/Schnellläufer Ein-, Zwei-, Drei- der Vielblattrtr

3 Widerstandsläufer Cp max = 0,16 für Wiederstandsläufer Bei 0,33 erreicht Vrteile: Nachteile: Einfache Bauweise Sturmsicher Muss nicht nachgeführt werden Geeignet für mechanische Arbeit und mit Getriebe auch für Strmerzeugung Schlechte Ausnutzung der Windenergie Höhe begrenzt

4 Mderne Windkraftanlagen Windnachführung nötig, ideal wenn Rtrfläche senkrecht zum Wind steht (ptimale Ausnutzung) Vermeidung vn Strukturbelastungen durch Schräganströmen Leistungsbegrenzung ntwendig um: Strukturbelastungen im Starkwindbereich zu vermeiden Maximaldrehzahl nicht zu überschreiten Rtrschub nach Abschaltung zu vermindern Üblicher Arbeitsbereich heutiger WKA vn 3 bis 25 m/s Leistungsbegrenzung Bei Kleinanlagen: Mdern WKA: Zweifahnenregelung (aus Wind drehen) Eklipsenregelung (Abklappen) Stall-Regelung (Blätter s gefrmt das bei Vmax Strömungsabriss auftritt) Pitch-Regelung (Blätter werden s eingestellt, das der axiale Schub auf nahezu null reduziert wird) Netzparallelbetrieb vs. Inselbetrieb Netzparalletlbetrieb: Inselbetrieb: Generatr direkt der über elektrische Zwischenkreise mit Netz verbunden Beziehen Hilfsenergie für Bremsen, Windnachführung, etc. aus dem Netz Müssen daher eigensicher sein, falls Netz ausfällt Generatr betreibt allein der im Verbund mit Dieselgeneratr/PV- Anlage ein Verbrauchernetz (Für Eigenversrgung abgelegener Häuser, Betriebe, Inseln) Erreichen schnell Leistungsbegrenzung Müssen ebenfalls eigensicher sein bzw. verfügen über externe Energiequelle für Hilfsenergie

5 Drehzahlstarrer Betrieb vs. Drehzahlvariabler Betrieb Im Netzparallelbetrieb Im Inselbetrieb WKA zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie Oft Windpumpensysteme, aber auch Antrieb für Sägewerke der Mühlen Kennlinie der WKA und der Pumpe müssen aufeinander abgestimmt sein

6 Emissinen Schallemissinen Aerdynamische Geräusche: Körperschall: Mit zunehmender Schnelllaufzahl Verminderung durch hhe Prfilgüte, abgerundete Blattspitzen, abgewinkelte Blattenden (wing tips) Lagergeräusche, Getriebegeräusche Sehr weit hörbar da niedrigfrequent Töne Verminderung/Vermeidung durch: Akustische Entkppelung des Getriebes Getriebelse Bauweise Weitere Emissinen Schattenwurf Zerstören Landschaftsbild Rechtliches Anlagenerrichtung an Land Regelung zu Windenergie in letzten 20 Jahren sehr umfangreich -> eigenes Rechtsgebiet Anlagen über 50 m Höhe: BImSchG Regelungen des Bauplanungsrechts (BauGB) Baurdnungsrecht des jeweiligen Bundeslandes BNatSchG Luftverkehrsrecht (LuftVG) Straßenrecht (FStrG) Anlagen zwischen m Höhe: Baugenehmigungsverfahren/Baurdnung des jeweiligen Bundeslandes Anlagen unter 10 m Höhe: Gelten als verfahrensfreie Anlagen -> keine Genehmigung Allgemein Vrrang- und Eignungsgebiete durch die Flächennutzungspläne/Raumrdnung ausgewiesen Ab 4 Anlagen und Repwering (Erstatz kleiner/alter Anlagen durch größere/neuere bei gleichem Standrt) UVP nötig Allgemeine rechtliche Regelungen die zu berücksichtigen sind: Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) Energiewirtschaftsgesetz Energieleitungsausbaugesetz

7 Anlagenerrichtung auf See Innerhalb der 12 Meilen Zne Geltendes Recht des jeweiligen Landes In der Ausschließlichen Wirtschaftszne (AWZ) Seeanlagenverrdnung (SeeAnlV) Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrgraphie Anlagen werden regelmäßig geprüft b: Luftverkehr beeinflusst wird Schiffverkehr beeinflusst wird Umweltverschmutzung stattfindet Der Vgelzug nicht gefährdet wird Windkraftanlagen heutzutage Andere Frmen der Windnutzung