Savonius goes online. Ein Windrad wird vermessen

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1 Savonius goes online Ein Windrad wird vermessen

2 Inhaltsverzeichnis Savonius goes online - Ein Windrad wird vermessen 1. Einleitung und Vorstellung der Probleme Windenergieanlagen 2.1 Einleitung Entstehung des Windes Windstärke Geschichte Windenergieanlagen Bauformen von Windkraftanlagen Wirkungsgrad Wichtige Daten von Windenergieanlagen Standort und Sicherheit 3.1 Einleitung Zu berücksichtigende Kriterien zur Standortauswahl und Standsicherheit Genehmigungspflicht Geplante bauliche Maßnahmen an unserem Savoniusprojekt Entscheidung für den Kerntechnik-Turm Bremse 4.1 Bremssysteme Bremskraftbedarf Rechnungen zur Fahrradbremse Zahnradbefestigung Kompressor und Rotor 5.1 Überarbeitung des Kompressors Den Rotor überarbeiten Kettenspanner einsetzten

3 6. Herleitung des Wirkungsgrades 6.1 Grundlagen der Windkraftanlagen Theoretische Windleistung Gesetz von Betz Auswertung Auslegung der Drehmomentmessvorrichtung Messbetrieb Messgeräte 7.1 Aufgabenstellung Messdatenauswertung allgemein Sensoren für den Savonius-Rotor Probleme Verlauf Geräteauswahl Bestellung Bestellangaben Fazit der Messgerätegruppe Abschließende Worte Literaturverzeichnis

4 1. Einleitung und Vorstellung der Probleme Das Projekt, WKA (Windkraftanlage) startete im WS 2005/2006. Die Aufgabe bestand darin Energie durch eine WKA zu gewinnen. Mehrere Gruppen haben daran gearbeitet, und jede Gruppe hatte eine bestimmte Aufgabe zu erledigen. Nun nach dem Bau der WKA steht beinahe ein fertiges Windkraft-Druckluft-System, bestehend aus einem Savonius-Rotor, einem Kompressor und einem Druckluftmotor. Aufbau eines Savonius Rotors ( ) Es fehlte noch eine Bremse und es gab Ansatzpunkte, wo direkte Verbesserungen Sinn machen würden. Dazu zählten die Überarbeitung des Kompressors und des Rotors, die Lackierung des Systems, um Witterungsbeständigkeit zu gewährleisten und die Sicherung der Schrauben. Außerdem sollte ein geeigneter Standort gewählt werden, der den Anforderungen genügt. Es gab drei Angebote für einen Aufstellungsort: zwei außerhalb Berlins und einer auf dem Campus. Wir haben uns für den KT-Turm und somit für den Aufstellungsort auf dem Campus entschieden, um eine leichte Zugänglichkeit zu ermöglichen. Da das Ziel des Projektes, das System zu installieren und zu vermessen, vorgegeben war, gab es natürlich keine große Wahl für die Kernthemengebiete. Der Kurs wurde in folgende Baugruppen unterteilt: Witterungsschutz & Sicherung der Schrauben Bremse, Standort, Befestigung Datenerhebung und Verwertung Bauplanung ( Rotor, Kompressor ) Anlagenbewertung Nachdem wir das System gründlich beobachtet haben, wurden einige kritische Stellen entdeckt, die eine Verbesserung benötigen. Das System besteht nicht aus Edelstahl, sondern nur aus dünnen Blechen, die sehr schnell unter dem Einwirken von Feuchtigkeit und Temperatur verrosten können. Die Unwucht in den Zahnrädern gefährdet den Riemen, welcher das Drehmoment weiter überträgt, und wird unter dem Einfluss der Zugspannung zerrissen. Der Kompressor, der Riemen sowie sämtliche Lager müssen vor Feuchtigkeit und Niederschlag geschützt werden. Für die genannten Ansatzpunkte müssen Lösungen gefunden werden, sonst würde das ganze System den Belastungen nicht auf Dauer standhalten können. Die WKA muss bei Bedarf angehalten werden. Dazu haben wir uns Gedanken über alle möglichen Bremssysteme gemacht, die man hier einsetzen könnte, um die beste Wahl zu treffen. Der Aufwand bzw. die Kosten dürfen nicht groß sein, d.h. das gewünschte System muss eine einfache Konstruktion beinhalten und wenig Platz benötigen. 4

5 2.Windenergieanlagen Von Auni El-Zoubeidat und Samer Younes 2.1 Einleitung 2.2 Entstehung des Windes 2.3 Windstärke 2.4 Geschichte 2.5 Windenergieanlagen 2.6 Bauformen von Windkraftanlagen 2.7 Wirkungsgrad 2.8 Wichtige Daten von Windenergieanlagen 2.1 Einleitung Die Windenergie ist im Gegensatz zur direkten Sonnenenergie eine indirekte Art der Sonnenenergie. Durch den Einfluss der Sonne kommt es zu Temperaturunterschieden auf der Erde, wodurch der Wind entsteht. Dieser kann dann technisch genutzt werden. Der Wind kann deutlich höhere Leistungsdichten erreichen als die eintreffende Sonnenenergie. 5

6 2.2 Entstehung des Windes Savonius goes online - Ein Windrad wird vermessen Durch die Sonne werden Luftmassen in der Atmosphäre erwärmt. Wegen der Kugelform und der Drehung der Erde, jahreszeitlicher Schwankungen und dem regional unterschiedlichen Strahlungsangebot kommt es zu großräumigen Druckunterschieden, die Luftbewegungen verursachen. Zum Beispiel in Küstengebieten ist das Windangebot besonders groß. Zum einen kann sich der Wind hier aufgrund der glatten Wasseroberfläche nahezu ungebremst bewegen, zum anderen kommt es in Küstenregionen auch zu lokalen Ausgleichsströmungen. Durch die Sonneneinstrahlung wird das Land in der Regel tagsüber stärker erwärmt als das Wasser. Es kommt zu lokalen Druckunterschieden, die Ausgleichswinde in Richtung Land hervorrufen. Nachts kühlt sich das Land schneller ab als das Wasser, und es kommt zu Ausgleichsströmungen in die entgegengesetzte Richtung. Wir haben zwei wichtige Gesichtspunkte die wir etwas genauer behandeln wollen: -Windstärke ( ausgedrückt durch die Windgeschwindigkeit ). -Dauer des Auftretens genügend hoher Windgeschwindigkeiten. Denn für die Nutzung des Windes ist es wichtig zu wissen, wann und mit welcher Zuverlässigkeit mit dem Eintreten von Windgeschwindigkeiten nutzbarer Größe gerechnet werden kann. 2.3 Windstärke In der Meteorologie wird häufig die Windstärke nach der Beaufort-Skala angegeben die in Tabelle 5.1 dargestellt ist. Hierdurch ist eine näherungsweise Bestimmung der Windgeschwindigkeit auch ohne aufwendige Messgeräte möglich. Für technische Zwecke ist diese Angabe jedoch weniger brauchbar. Hier wird zweckmäßigerweise mit der Windgeschwindigkeit ν. [Qua98] 6

7 2.4 Geschichte Windräder mit vertikaler Achse: Die ersten Maschinen zur Nutzung der Windenergie wurden nach Meinung der Historiker im Orient eingesetzt. Hammurabi soll schon 1700 v. Chr. Mit Windrädern die Ebenen Mesopotamiens bewässern haben. Eine recht frühe Nutzung der Windkraft in Afghanistan ist urkundlich belegt: Schriften des 7. Jh. n. Chr. Bekunden, dass dort der beruf des Mühlenbauers hohes Ansehen genoss. Noch heute kann man im Iran und in Afghanistan Ruinen dieser seit Jahrhunderten betriebenen Windmühlen sehen. Diese ältesten Windräder der Welt hatten eine vertikale Drehachse. Daran waren geflochtene Matten befestigt, die dem Wind einen Luftwiderstand entgegensetzten und daher vom Wind mitgenommen wurden. Bei den persischen Windrädern wurde durch Abschattung der einen Rotorhälfte mit einer Mauer eine Asymmetrie erzeugt, die die Widerstandskraft zum Antrieb des Rotors nutzbar macht (Bild 1.1 a). Bei den ebenfalls sehr alten chinesischen Windrädern wird eine solche Asymmetrie durch Wegklappen der Segelmatten auf ihrem Rückweg (dem Wind entgegen) erzeugt (Bild 1.1 b).diese chinesischen Widerstandsläufer sind etwa seit 1000 n. Chr. Bekannt und hatten wie die persischen eine vertikale Drehachse mit geflochtenen Matten als Segel. Im Gegensatz zu der persischen (Bild 1.1.a) (Bild 1.2.b) [Gas93] Variante hatten sie jedoch den für Windräder mit vertikaler Achse eigentlich typischen Vorteil, dass sie den Wind unabhängig von seiner Richtung nutzen konnten. Auch das Windrad von Veranzio gehört in die Kategorie der langsam laufenden Widerstandsläufer. Der Savonius Rotor und der Darrieus Rotor gehörten auch zu den Rotoren mit vertikaler Drehachse aber darauf werden wir noch später kommen. 7

8 Windräder mit horizontaler Achse: Savonius goes online - Ein Windrad wird vermessen Im Abendland wurde sehr viel später ein ganz anderer Windmühlentyp entwickelt, als der morgenländische Vertikalachser. Auffälliges Unterscheidungsmerkmal ist der Rotor mit horizontaler Achse, dessen Flügel sich wie bei einem Flugzeugpropeller in einer Ebene senkrecht zum Wind drehen. Hier muss also ein anderes Antriebsprinzip wirken, als der Luftwiderstand der Flügelflächen bei den Widerstandsläufern und zwar die treibende Auftriebskraft. Die älteste Bauform der auftriebsnutzenden Horizontaler Achse ist die Bockwindmühle (Bild 2.1a-b). Von England und Frankreich breitet sie sich neben dem Wasserrad als wichtigste Antriebsmaschine über Holland, Deutschland und polen nach Russland aus. Es ist unter den Historikern umstritten, wer sie erfand und wo sie herstammt. Es scheint jedoch Einigkeit darüber zu bestehen, dass die Kreuzfahrer die Windmühle nicht, wie früher angenommen, in Syrien kennengelernt, sondern ihrerseits dort hingebracht haben. [Hau96] 8

9 (Bild 2.1.a) [Hau96] 9

10 Die Bockwindmühle ließ sich ausschließlich als Mühle, also zum Mahlen einsetzen. In Holland, wo schon im 15. Jh. großes wirtschaftliches Interesse an der Landgewinnung durch die Entwässerung von Poldern bestand, wurden erste Anstrengungen unternommen, die Windenergie auch zum Antrieb von Pumpen zu nutzen. Dazu musste die Bockwindmühle so modifiziert werden, dass die aus dem Wind gewonnene Antriebsenergie an die unter der Mühle gelegene Pumpe weitergegeben werden konnte. Ergebnis war die Wippmühle (Bild 2.2), die etwa 300 Jahre nach den ersten urkundlich belegten Bockwindmühlen -speziell für Entwässerungsaufgaben- zum Einsatz kam. Aber in Südeuropa hat sich die Bockwindmühle nicht durchsetzen können. Dort war ein anderer Mühlentypus sehr verbreitet: die Turmwindmühle. Die ersten Windräder dieser Art, die sehr früh auch schon zur Bewässerung genutzt wurden, sind im 13. Jahrhundert nachgewiesen (Bild 2.3). Bild (2.2) [Hau96] Bild (2.3) [Hau96] 10

11 Die drehbare Dachhaube ist das Hauptcharakteristikum der Holländerwindmühle (Bild 2.4), die ab dem 16. Jh. zum Einsatz kam. Sie ist eine Weiterentwicklung der Turmwindmühlen, da sich die leichtere Holzkonstruktion des achteckigen Turms auf den feuchten, marschigen Böden Hollands leichter aufbauen ließ. Bild (2.4) [Hau96] In Holland wurden diese Mühlen hauptsächlich zur Polderentwässerung eingesetzt, während sie im übrigen Europa vorwiegend zum Kornmahlen genutzt wurden. Eine etwas exotische Entwicklung ist die Paltrockmühle (Bild 2.5) aus dem 17. Jh., die zeigt, wie universell die Windkraft als Antriebskraft genutzt werden kann. 11

12 Bild (2.5) [Hau96] Der letzte Typ in der Reihe der historischen Windräder ist das amerikanische Windrad oder Westernmill (Bild 2.6), das um die Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelt wurde. Sie wurde hauptsächlich für die Trink- und Tränkwasserversorgung in Nordamerika eingesetzt. Zum Wasserpumpen aus großen Tiefen ist die Westernmill noch heute ein modernes System, das technisch weitgehend unverändert zu zehntausenden in Australien, Argentinien und den USA eingesetzt wird. Bild (2.6) [Gas93] Die Geschichte der Windkraft reicht viele Jahrhunderte zurück. Bereits vor über 3000 Jahre soll die Windkraft zur Bewässerung genutzt worden sein. Historische Quellen belegen, dass in Afghanistan im 7.Jahrhundert n. Chr. Die Windkraft zum Getreidemahlen eingesetzt wurde und in China zur Entwässerung der Reisfelder genutzt. Diese Windmühlen nutzten das Widerstandsprinzip, waren aus heutiger Sicht sehr einfach Konstruktionen und verfügten über 12

13 einen schlechten Wirkungsgrad. In Europa erlangte die Windkraft ab dem 12. Jahrhundert Bedeutung. Die Windmühlen wurden über die Jahrhunderte Kontinuierlich weiterentwickelt. In Holland waren im 17. und 18. Jahrhundert Zehntausende von Windmühlen zur Polderentwässerung eingesetzt. Sie verfügen über einen hohen technischen Stand und konnten sich sogar selbständig dem Wind nachführen. In Nordamerika verwendete man im 19. Jahrhundert zahllose,,westernmills zum Pumpen mit Hilfe des Windes. Anfang des 19. Jahrhunderts bekam die Windkraft durch das Aufkommen der Dampfkraftmaschinen und Verbrennungsmotoren stark Konkurrenz, und mit der Elektrifizierung wurde sie dann schließlich völlig bedeutungslos. Erst mit den Ölkrisen der 70er Jahre erlebte die Windkraft eine Renaissance, Im Gegensatz zu den vorangegangenen Jahrhundert wir sie heute fast ausschließlich zur Gewinnung von Elektrizität genutzt. In Deutschland hat sich heute eine florierende Windkraftindustrie etabliert. Die neu produzierten Anlagen verfügen über ein hohes technisches Niveau und haben Leistungsklassen von über 1,5 MW erreicht. Die Windkraftindustrie hat Tausende von Arbeitsplätzen geschaffen und der jährliche Umsatz liegt heute in Deutschland bei etwa 0,6 Mrd. Euro. Mit der Entwicklung der Westernmill im 19. Jahrhundert begann eine ganz neue Phase in der Windenergienutzung. Sie spiegelte die Industrialisierung in der Geschichte der Windenergienutzung wieder. Die Westernmill war nicht nur das erste industriell in Serie und vollständig aus Metall gefertigte Windrad. Sie war auch die erste Windkraftanlage, die vollautomatisch und ohne jede Betreuung betrieben werden konnte. Windnachführung und Sturmsicherung werden durch ein raffiniertes System von Windfahnen geregelt, wodurch die Anlagen völlig autonom auf den riesigen Weideflächen einzusetzen waren. Wie schon erwähnt setzte mit der Ölkrise und durch weitere wirtschaftliche Krisen ein neues Denken bzw. eine Umstellung zur Energie- und Elektrizitätsgewinnung ein. Unterstütz wurde dies durch die weitere Entwicklung von der Windmühle über die Westernmill zu den so genannten Windenergieanlagen. In Bereich der erneuerbaren Energie hat sich die Windkraft zur kostengünstigsten Energiequellen entwickelt. Als weitere erneuerbare Energien bieten sich auch Wasser, Sonne und Biomassen. 2.5 Windenergieanlagen Eine Windenergieanlage (WEA), ebenfalls hat sich auch der Begriff Windkraftanlage (WKA) etabliert, wandelt Windenergie in elektrische Energie um und speist diese zumeist in das öffentliche Stromnetz ein. Dies geschieht, indem die kinetische Energie des Windes den Rotor in eine Drehbewegung versetzt, welche an einen Generator weitergegeben und dort in elektrischen Strom umgewandelt wird. Die heutigen Windenergieanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik und dem Wissen über die Aerodynamik. Die ersten Anlage zur Stromgewinnung sind Ende des 19. Jahrhunderts entstanden zeigte Albert Betz, dass physikalisch bedingt höchstens 59,3 % der Energie des Windes nutzbar sind. Diese Erkenntnis, ist für die Ermittlung des Wirkungsgrades wichtig. Seine Theorie zur Formgebung der Potorblätter ist auch heute noch Grundlagen für die Auslegung der Anlagen. Anfang der 1980er Jahre setzte sich das Dänische Konzept bei Windenergieanlagen durch. Im Gegensatz zu anderen Versuchsanlagen wie beispielsweise GROWIAN setzte man hier auf eine einfache Konstruktion mit der heute allgemein üblichen horizontalen Rotationsachsen und drei luvseitigen Rotorblättern, um so robuste Anlagen zu erhalten, deren Größe erst nach und nach immer weiter ansteigt. In Dänemark wurden damals die Grundlagen für die moderne Windenergienutzung gelegt. 13

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16 Mit dem Stromeinspeisungsgesetz von 1991 begann der Aufschwung der Windenergie auch in Deutschland. In den letzten Jahren des 30. Jahrhunderts sorgten die politischen Rahmenbedingungen für einen Boom der Windenergieanlagenhersteller und förderten die industrielle Fertigung. Die Entwicklung führte zu immer größeren Anlagen mit verstellbaren Rotorblättern und variabler Drehzahl, aber auch zu politischen Auseinandersetzungen zwischen Investoren, Gegnern und Befürwortern der Windenergienutzung. Mit dem Nachfolgegesetz, dem Erneuerbare- Energien-Gesetz, setzte sich diese Entwicklung fort. Nach den Daten für das Jahr 2004 ist Deutschland die weltweit größte Nennleistung installiert und erzeugt mehr elektrischen Strom aus Windenergie als aus Wasserkraft. Auch bei der Produktion der Anlagen und der Anlagenteile gehört Deutschland zu den Technologie und Weltmarktführern. Die Marktführerschaft bei neu installierten Windenergieanlagen ging 2004 erstmals an Spanien. [Gas93] 16

17 2.6 Bauformen von Windkraftanlagen In der Praxis möchte man die Windenergie technisch nutzen.. Dies ist durch mechanische Arbeit möglich, wie zum Beispiel bei den früheren Windmühlen. Auch moderne Windpumpen nutzen die Windenergie durch mechanische Umsetzung. Deutlich interessanter und heute am meisten verbreitet ist die Gewinnung elektrischer Energie. Ein Windrotor treibt hierfür einen elektrischen Generator an. Bei den Rotoren gibt es zahlreiche Konzepte, auf die nun in dem folgenden eingegangen soll. Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse: Windkraftanlagen mit vertikaler, also senkrechter Achse zählen zu den ältesten Anlagen. Die ersten Anlagen vor über 1000 Jahren waren Widerstandsläufer mit vertikaler Achse. Auch heute gibt es verschiedene, technisch ausgereiftere Bauformen von Windkraftanlagen mit vertikaler Achse. Bei den Rotoren mit vertikaler Achse unterscheidet man zwischen: 1) Savonius-Rotor 2) Darrieus-Rotor 3) H-Rotor Der Savonius-Rotor Der Savonius-Rotor arbeitet überwiegend nach dem Widerstandsprinzip. Er besteht aus zwei halbzylinderartigen Schaufeln, die in unterschiedliche Richtungen geöffnet sind. In Achsnähe überlappen sich die Schaufeln etwas, so dass der Wind nach der Umlenkung an der einen Schaufel in die andere Schaufel strömt. Hierdurch wird auch in geringem Maße das Auftriebsprinzip genutzt, so dass der Wirkungsgrad des Savonius-Rotors etwas besser als der eines reinen Widerstandsläufers, aber deutlich schlechter als der eines Auftriebsläufers ist. Bei optimaler Formgebung erreicht der Savonius-Rotor maximale Leistungsbeiwerte von 0,

18 Vorteile: - Einfacher Aufbau und einfache Montage. - Hohes Drehmoment bei relativ niedriger Drehzahl. - Unabhängig von der Windrichtung, keine Windausrichtung erforderlich. - Einsatz schon bei extrem niedrigen Windgeschwindigkeiten ab 2-3 m/s. - Koppelung mehrere Rotoren zu einer größeren Anlage möglich, sowohl im horizontalen als auch im vertikalen Verbund. - Sturmsicher durch selbstständige Leistungsbegrenzung (entstehende Turbulenzen bremsen den Rotor). - Kaum wahrnehmbare Laufgeräusche. Nachteile: - Als Langsamläufer zu geringe Drehzahl für Stromerzeugung. - Hoher Volumenanteil, daher eher auffällig. - Schlechter Wirkungsgrad. Anwendungen: - Anfänglich im Schiffbau zur Belüftung der Mannschafts- und Laderäume. Danach auch bei Transportfahrzeugen (Eisenbahn Waggon, Autobus usw.) - Wasserpumpen, Tiefbrunnen, Bewässerung, Schwimmbadfilter. - Drucklufterzeugung. - Stromerzeugung, Gleichstrom- und Wechselstrom- /Drehstrom-Generatoren. Der Darrieus-Rotor [Qua98] Bild 3.1.b 18

19 Der Darrieus-Rotor (Bild 3.1.b) geht auf ein Patent des Franzosen Georges Darrieus aus dem Jahr 1929 zurück. Der Darrieus-Rotor besteht aus zwei oder drei Rotorblättern in form einer Parabel. Das Profil der Rotorblätter entspricht dem eines Auftriebsläufer. Der Darrieus-Rotor arbeitet somit auch nach dem Auftriebsprinzip. Durch die senkrechte Drehachse ändert sich im Gegensatz zu einem Rotor mit horizontaler Achse ständig der Anstellwinkel. Der Wirkungsgrad des Darrieus-Rotor liegt zwar deutlich über dem des Savonius-Rotors, erreicht aber nut etwa 75% der Wirkungsgrade von Rotoren mit horizontaler Achse. Ein gravierender Nachteil des Darrieus-Rotors ist, dass er nicht in der Lage ist, selbständig anzulaufen. So benötigt er immer eine Anlaufhilfe, die entweder durch einen Antriebsmotor oder einen gekoppelten Savonius-Rotor gewährleistet werden kann. Der H-Darrieus-Rotor [Qua98] Eine Weiterentwicklung des Darrieus - Rotors ist der H- Darrieus - Rotor genannt (Bild 3.1.c). Oftmals wird dieser Rotor auch nach der Firma Heidelberg-Motor als Heidelberg-Rotor bezeichnet. Bei diesem Rotor ist der permanenterregte elektrische Generator direkt in die Rotorstruktur integriert und kommt ohne Getriebe aus. Dieser Rotor arbeitet wie der Darrieus - Rotor als Auftriebsläufer. Die drei Rotorblätter des H - Rotors sind senkrecht angeordnet und werden durch Verstrebungen mit der vertikalen Achse in Position gehalten. Der H- Rotor wurde für extreme Witterungsbedingungen in der Antarktis in den Alpen konstruiert und zeichnet sich durch ein robuste Bauweise aus. 19

20 Vorteile von Rotoren mit vertikaler Drehachse: - Einfacher Aufbau. - Unkomplizierte Wartung von Rotoren mit vertikaler Achse. - Rotoren mit vertikaler Achse müssen nicht dem Wind nachgeführt werden, aus diesem Grund eignen sie sich besonders für Regionen mit schnell wechselnder Windrichtung. Trotz dieser Vorteile konnten sich Windkraftanlagen mit vertikaler Drehachse nicht durchsetzen und werden nur für spezielle Einsatzzwecke verwendet. Durch ihren geringeren Wirkungsgrad und durch den meist höheren Materialaufwand konnten sie bisher unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht gegen Rotoren mit horizontaler Drehachse konkurrieren. Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse: Bei der Stromerzeugung werden heute hauptsächlich Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse eingesetzt. Die Entwicklung dieser Anlagen wurde vor allem von mittelständischen Unternehmen vorangetrieben. Die Windkraftanlagen haben heute einen hohen technischen Stand erreicht. Während die Leistung neu errichteter Windkraftanlagen Ende der 80er Jahre nur selten die 100 KW Grenze überstieg, reichen die Leistungen heutiger Anlagen bis über 1500 KW = 1,5 MW hinaus. Eine Windkraftanlage mit horizontaler Drehachse zur Erzeugung elektrischer Strom besteht im Wesentlichen ausfolgenden Komponenten: 1) Rotorblätter, Rotornabe, Rotorbremse und ggf. Blattverstellmechanismus. 2) Elektrischer Generator und ggf. Getriebe. 3) Windmeßsystem und Windnachführung (Azimutverstellung). 4) Gondel, Turm und Fundament. 5) elektrische Schaltanlagen, Regelung und Netzanschluss. Bild (5.12) zeigt den Querschnitt durch eine Windkraftanlage mit horizontaler Drehachse. 20

21 Rotorblattzahl: [Qua98] Bei modernen Windkraftanlagen zur Stromerzeugung mit horizontaler Achse unterscheidet man zwischen Rotoren mit einem, zwei oder drei Rotorblättern. Mehr als drei Rotorblätter werden in der Regel nicht verwendet. Je geringer die Zahl der Rotorblätter ist, desto weniger Material ist notwendig. Derzeit gibt es nur wenige Prototypen für Windkraftanlagen mit nur einem Rotorblatt. Generell werden sich Einblatt Rotoren nicht durchsetzen. Der optimale Leistungsbeiwert von 3-Blatt-Rotoren liegt geringfügig über dem von 2-Blatt- Rotoren. 3-Blatt-Rotoren laufen optisch ruhiger und passen sich aus visueller Sicht besser in die Landschaft ein. Die mechanische Belastung der Windkraftanlage ist bei 3-Blatt-Rotoren ebenfalls geringer als bei Einblatt- oder 2-Blatt-Rotoren. Die Vorteile der 3-Blatt-Rotoren wiegen den Nachteil des höheren Materialeinsatzes auf, so dass heute überwiegend 3-Blatt- Rotoren gebaut werden. Turm, Fundament, Getriebe und Generator: Der Turm ist einer der wichtigsten Teile einer Windkraftanlage. Seine Aufgabe ist es, die Gondel und die Rotorblätter zu tragen. Da die Windgeschwindigkeit mit der Höhestark zunimmt, kann durch größere Turmhöhen auch der Anlagenertrag gesteigert werden. In den Anfangsjahren der Windkraft wurden meist Gittertürme verwendet. Der Vorteil der Gittertürme ist der geringere Materialeinsatz und damit niedrigere Kosten. Heute werden Gittertürme aus optischen Gründen nur noch selten aufgestellt. Bei kleineren Anlagen wird eine einfache Konstruktion gewählt, die über Abspannseile gesichert ist. Bei großen 21

22 Windkraftanlagen werden Rohrtürme aus Stahl oder Beton mit rundem Querschnitt verwendet. Als Gründung für eine Windkraftanlage ist ein ausreichendes Betonfundament nötig, um derartige Massen sicher zu verankern. Die Gondel der Windkraftanlage nimmt das Rotorlager, das Getriebe und den elektrischen Generator auf. Da der Generator bauartbedingt meist bei großen Drehzahlen betrieben werden muss, wird ein Getriebe benötigt, damit die Rotordrehzahl begrenzt werden kann. Das Getriebe Übernimmt dabei die Aufgabe, die langsamere Rotordrehzahl auf die schnellere Generatordrehzahl anzupassen. Mit dem Getriebe müssen jedoch einige Nachteile in Kauf genommen werden. So verursacht es höhere Kosten, verringert die Leistung aufgrund von Reibungsverlusten und erhöht die Lärmbelastung sowie den Wartungsaufwand. Deshalb wird zunehmend versucht, getriebelose Windkraftanlagen zu konstruieren. Hierbei ist jedoch eine spezielle Ausführung des Generators notwendig. Er muss über eine Vielzahl elektrischer Pole verfügen, damit auch bei niedrigen Rotordrehzahlen eine gute Anpassung zwischen Rotor und Netz gewährleistet ist. Durch die höhere Anzahl der Pole vergrößert sich jedoch der Querschnitt und damit die Abmessungen des Generators. 2.7 Wirkungsgrad Die Effizienz, mit der Energie des Windes auf den Rotor übertragen wird, ist für eine WEA eine wichtige Kenngröße. Durch die dem Luftstrom entnommene kinetische Energie sinkt die Windgeschwindigkeit am Rotor. Der Wind kann jedoch nicht bis zum Stillstand abgebremst werden, da sonst keine weitere Luft mehr nachströmen könnte. So können theoretisch nur bis zu maximal 59,3 % der im Wind enthaltenen Energie entnommen werden. Dieser Wert wird nach dem Göttinger Physiker, der ihn ermittelte, Betzscher Leistungsbeiwert (Cp,Betz=0,593)genannt. Bei einer im Wind enthaltenen Leistung P (Leistung = Energie/Zeit) errechnet sich eine theoretisch nutzbare (maximale) Leistung Pn am Rotor von: Pn = Cp * P - die theoretische nutzbare max. Leistung Wie bei allen Maschinen kann auch bei Windenergieanlagen das theoretische Maximum nicht erreicht werden. Moderne Windenergieanlagen kommen auf einen Leistungsbeiwert von Cp = 0,45 bis 0,51. Der aerodynamische Wirkungsgrad einer Anlage kann über das Verhältnis des Leistungsbeiwertes der Maschine zum Betzschen Leistungsbeiwert ausgedrückt werden und liegt demnach bei etwa 70 % bis 85 % je nach Windverhältnissen und Auslegung. Cp/Cp,Betz - der aerodynamische Wirkungsgrad einer Anlage Zur Berechnung der tatsächlichen produzierten Energie müssen zusätzlich noch die Wirkungsgrade aller mechanischen und elektrischen Maschinenteile im Gesamtwirkungsgrad berücksichtig werden. 22

23 2.8 Wichtige Daten von Windenergieanlagen Lebensdauer: -Einflüsse auf die Lebensdauer : Pro installierte KW: 25 Jahre (nach Hersteller) -Standort, Windstärke, Gewitter, Vereisung -Qualität der Wartung -880 Euro bis 1350 Euro - Hängt von der Höhe der Infrastruktur ab Leistung einer WEA : Max. Ertrag: -1 MW bis 2,5 MW - bei Windgeschwindigkeit von 15 m pro Sekunde Platz pro Windrad: - bis zu 500 m² Rotoranzahl: Windkraftanlagenfirmen: Standortfaktoren: - 90 % der Windkraftanlagen laufen mit drei Rotorblättern - Enercon, ABO, OST WIND, E.n.o - Berg, Hügel - Windreiche Umgebung Windgeschwindigkeit - nach Beaufortskala klassifiziert (1806) - Einheit Meter pro Sekunde (m/s) Für Windenergie gilt: - eine 1,5 MW Anlage produziert, je nach Standort, drei bis fünf Millionen Kilowattstunde in Jahr. Das bedeutet die Versorgung von Vier-Personen Haushalt Energie des Windes Kinetische Energie des Windes: E=1/2 r² ρ π ν³ t 23

24 3. Standort und Sicherheit Von Roshan Manamperi und Müslim Cetin 3.1 Einleitung 3.2 Zu berücksichtigende Kriterien zur Standortauswahl und Standsicherheit 3.3 Genehmigungspflicht 3.4 Geplante bauliche Maßnahmen an unserem Savoniusprojekt 3.5 Entscheidung für den Kerntechnik-Turm 3.1 Einleitung 1.Wie wir Energie für die Zukunft gewinnen Den Erneuerbaren Energien (EE) wie Wasserkraft, Biomasse, Solarenergie und Windkraft gehören der Zukunft. Sie helfen uns CO 2 und andere Treibhausgase zu reduzieren und fossile Energieträger wie Erdöl und Erdgas zu sparen. Insbesondere die Umweltverträglichkeit und die geradezu grenzenlose Verfügbarkeit prägen das positive Image von Solar- und Windenergie. 2.Was uns der Wind bringt Der Wind ist heute die ergiebigste regenerative Energiequelle, die einen Anteil von 44% zur Stromerzeugung aus EE hat Windenergieanlagen (WEA) erzeugen eine Gesamtleistung von 17GW. Die Neueste Generation der WEA bringen allein eine Nennleistung von 1,5MW. 3.Wo wir Windkraft wollen Wir müssen den Standort sorgfältig wählen um die Interessen von den Menschen, des Umweltschutzes und der Wirtschaft zu sichern. 3.2 Zu berücksichtigende Kriterien zur Standortauswahl und Standsicherheit BauGB 35 (Bauen im Außenbereich) nur zulässig, wenn es der Forschung, Entwicklung oder Nutzung der Windenergie dient. Beeinträchtigung öffentlicher Belange liegt insbesondere vor, wenn das Vorhaben schädliche Umwelteinwirkungen hervorrufen kann. Allgemein Landschaft (Landschaftsbild darf nicht beschädigt werden) Tierwelt (darf nicht gestört werden) Wohnbebauung (siehe Zulassungsvoraussetzungen.) Zulassungsvoraussetzungen 24

25 Schallemissionen (Infraschall, Lärmbelästigung) Schattenwurf (der Rotorblätter) Discoeffekt (Reflexion der Sonnenstrahlen vom drehenden Rotor) Eiswurf (Heizung, Stilllegung, Hinweisschilder) Ausreichende Zufahrtsmöglichkeiten Ausschlussgebiete Naturschutzgebiete Kulturell + historisch wertvolle Orte Waldbereiche Sicherheit laut 15 BauO NRW muss jede Anlage im Ganzen und in ihren Teilen sowie für sich alleine standsicher sein. Die Sicherheit anderer Anlagen nicht gefährdet werden. Erschütterungen oder Schwingungen sind zu dämmen, so dass Gefahren und Belästigungen nicht entstehen 3.3 Genehmigungspflicht Ab welcher Höhe/Größe/Leistung ist eine WKA genehmigungspflichtig? - Windfarmen (= WKA s in unmittelbarer Nachbarschaft) ab 3 WKA sind genehmigungspflichtig - Umweltverträglichkeitsprüfung ist ab einer Höhe der WKA von 35 m oder einer Leistung von 10 kw nötig - Vereinfachte Baugenehmigung erfolgt bei einer Höhe bis 25 m (außer die Anlage wird als Sonderbau eingestuft) - Freigestellt von der Genehmigungspflicht sind WKA bis zu einer Höhe von 10 m. 3.4 Geplante bauliche Maßnahmen an unserem Savoniusprojekt - einfache, robuste Bremse in doppelter, unabhängiger Ausführung - Sicherung der Schrauben und Muttern in der Anlage gegen selbständiges Lösen (Standsicherheit = Jede bauliche Anlage muss im Ganzen und in ihren Teilen sowie für sich alleine standsicher sein ) - Untersuchen und Eliminieren vorhandener Schwingungen im Betrieb ( Erschütterungen oder Schwingungen, die von ortsfesten Anlagen ausgehen, sind gemäß 18 Abs. 3 BauO so zu dämmen, dass Gefahren oder unzumutbare Belästigungen nicht entstehen ) - Verankerung der Anlage im Boden/ Fundament (Verschraubung, Einbetonierung) 25

26 - nach Untersuchung der Belastung (Ausbessern der Stabilität an kritischen Stellen, falls nötig) - Lackierung der Anlage: Rostschutz (Witterungsschutz) / Reflexionsschutz 3.5 Entscheidung für den Kerntechnik-Turm Es sollte ein geeigneter Standort gewählt werden, der den Anforderungen genügt. Es gab drei Angebote für einen Aufstellungsort: zwei außerhalb Berlins und einer auf dem Campus. Wir haben uns für den KT-Turm und somit für den Aufstellungsort auf dem Campus entschieden. Der Standort auf dem Campus hat allein schon durch seine Nähe Vorteile, dass Aufbau, Überwachung und Wartung sehr einfach und schnell erfolgen kann. Des Weiteren erfolgt die Genehmigung durch das Uni-Bauamt schnell und einfach, da Prof. Ziegler für den Turm zuständig ist. Die große Höhe auf dem Turm verbessert die Leistung unserer WKA durch höhere Windgeschwindigkeiten. Zur Beobachtung der Anlage müssen wir auch keine Datenkabel, Anschlüsse und Stromversorgung installieren, da sie hier schon vorhanden ist. Wir können unsere Messgeräte an die vorhandenen Anschlüsse anbringen. Auf dem KT-Turm ist die Verankerung der Anlage schwierig, da das Dach gedichtet ist und somit keine Verschraubung am Dach erlaubt ist. Alternativen wären etwa eine Belastung der Anlage durch Gewichte (wie bei einem Marktschirm) oder eine Verankerung mit Stahlseilen. Nach Absprachen mit dem Bauamt und mit Prof. Ziegler haben wir alle Vorkehrungen getroffen und die nötigen Anträge gestellt um die Erlaubnis und Möglichkeit zu erlangen unseren Savonius-Rotor hier aufstellen zu dürfen. 4. Bremse Von Yessin Lamin, Omar Abouezzedine und Miguel Arnal 4.1 Bremssysteme 4.2 Bremskraftbedarf 4.3 Rechnungen zur Fahrradbremse 4.4 Zahnradbefestigung 4.1 Bremssysteme Hier sind zuerst Überblicke über sämtliche Bremsen, je mit Vor- und Nachteilen. Bandbremse (Seilbremse) Eine Bandbremse (Außentrommelbremse) ist eine mechanische Bremse, bei der aber im Gegensatz zur Backenbremse ein Band um eine Trommel geschlungen wird. Das Band kann ein Stahl-, Textil- oder Lederband, aber auch ein Seil oder ein profiliertes Band ähnlich einem Keilriemen sein. Dabei wird jeweils ein Ende an einem Festpunkt 26

27 befestigt und am anderen Ende durch ein Gewicht oder durch eine Feder belastet. Dadurch kann die Bremswirkung genau eingestellt werden. Im Gegensatz zu den Backenbremsen ist aber die Bremswirkung von der Drehrichtung verschieden. In einer Richtung wirkt sie fast selbst hemmend, was zu großen Belastungen führen kann. Sie wird noch für geringe Bremsleistungen beispielsweise im Textilmaschinenbau aber auch Kranbau eingesetzt. Auch die früher im Fahrzeugbau allerdings nur als Feststellbremse verwendete Kardanbremse beruht auf diesem Prinzip. Aufbau einer Bandbremse Vorteile: Nachteile: nimmt nicht viel Platz in Anspruch geeignet für Wellen mit geringer Umdrehungsanzahl die Bremse benötigt kein Abkühlungssystem man muss das Band ungefähr alle 3 Monate wechseln (je nachdem wie oft die Bremse benutzt wird) Außenbackenbremse Die Bremsbacken greifen hier außen an der Bremstrommel ein (Klotzbremse); nicht selten war eine derartige Anordnung mit einer Innenbackenbremse kombiniert, so dass man an einer einzigen Trommel zwei voneinander unabhängige Bremsen hatte Vorteile: Für große Wellen gut geeignet für hohe Drehmomente 27

28 Nachteile: braucht viel Platz ziemlich schwer Scheibenbremse Die Scheibenbremse dient dazu, an einer Drehachse abgenommene kinetische Energie in Wärme umzuwandeln. Sie wird häufig bei Fahrzeugen eingesetzt, um die Vorwärtsbewegung zu vermindern. Eine Scheibenbremse weist eine auf der Nabe des Rades mitlaufende Bremsscheibe auf, an die von beiden Seiten Bremsklötze oder Bremsbeläge gepresst werden. Diese sind im so genannten Bremssattel, auch Bremszange, angebracht, der die Scheibe umspannt. Die Aktivierung der Bremse erfolgt häufig hydraulisch mit Hilfe von Bremskolben. Innenbelüftete Scheibenbremse Scheibenbremse an einem Pkw Vorteile: Nachteile: kann in fast jedes System eingesetzt werden höhere Lebensdauer benötigt viel Platz Elektromagnetische Bremse Eine elektromagnetísche Bremse würde hier auch sehr gut passen. Die benötigte Energie könnte man aus dem elektrischen Motor holen. Es ist aber fraglich, ob wir so ein 28

29 kompliziertes Bremssystem brauchen. Nach der Berechnung der benötigten Mindestpresskraft, stellte sich fest, dass man hier ein ganz einfaches fahrradähnliches Bremssystem benötigt, um das System zu stoppen. Vorteile: Nachteile: 1. sehr effektiv 2. sehr gut geeignet für große Wellen 3. verbraucht viel Energie Unser Lösungsvorschlag: Eine Scheibenbremse ist in diesem Fall sehr gut geeignet. Warum? 4. Drehzahl ist niedrig 5. Benötigte Presskraft ist gering 6. Einfach zu bauen 7. Genug Platz 8. Ein Fahrradbremse würde hier vollkommen ausreichen 4.2 Rechnungen zur benötigten Bremskraft Die sich bewegenden Teile unserer Windkraftanlage sind Rotor, Kette und Kompressor. Die zwei Zahnräder bewegen sie auch, sind aber beide fest. Eins ist an dem Rotor und das andere am Kompressor befestigt, so dass beide als Teil des Rotor bzw. des Kompressors betrachtet werden können. Der Kompressor benötigt Energie, um sich zu bewegen. Das heißt: Der Kompressor bremst von allein, wenn der Rotor keine Energie mehr liefert. Nach diesem Gedanken kann man mit den Berechnungen für die benötigte Bremskraft der WKA beginnen, welche eigentlich die benötigte Bremskraft für den Rotor ist. Der Rotor dreht sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit um eine Achse. Um ihn zu stoppen, geben wir dem rotierenden Rotor eine negative Winkelbeschleunigung. Für diesen Fall gilt die folgende Gleichung: M (N m) = α ( rad/s² ) J M steht für Drehmoment α steht für Winkelbeschleunigung J steht für Trägheitsmoment 29

30 Das Trägheitsmoment kann man nach folgender Formel berechnen: J = Σ m r² m - Gewicht jedes Teichens des Rotors r - Abstand dieses Partikels zu der Drehachse. Der Rotor besteht aus: = Zwei Scheiben: 2 x Und vier Halbzylinder: 4x Die Summe der Trägheitsmomente aller Elemente ist gleich dem Trägheitsmoment des ganzen Rotors. Die Achse hat einen so kleinen Abstand von der Drehachse, so dass man diesen Wert kaum beeinflussen kann. 30

31 Man muss darauf achten, dass das Trägheitsmoment von dem Abstand des Elements zu der Drehachse abhängt. Zum Beispiel haben diese Halbzylinder nicht das gleiche Trägheitsmoment: (x ist der Achse) Als dieses: In unserem Fall ist es aber nicht so wichtig wie groß die Beschleunigung ist, sondern dass diese Beschleunigung negativ ist. Somit brauchen wir nicht dieses Trägheitsmoment zu berechnen. Auf dem Rotor arbeiten drei Momente: 1- Luft 2- Kompressor 3- Bremse Für die Berechnungen nehmen wir den schlimmsten Fall an. Und zwar, dass der Kompressor kein Moment entwickelt (Der Kompressor benötigt Energie. Das bedeutet er bremst den Rotor und entwickelt somit immer ein negatives Drehmoment auf die Rotorachse). Am Ende zeigen wir, dass das Bremsmoment größer sein muss als das Luftmoment. Wie groß ist das von der Luft generierte Drehmoment? Die Berechnungen aus dem letzten Semester(WS 05/06) haben ergeben dass der Rotor bei einer Windgeschwindigkeit von 5 m/s (so eine Windgeschwindigkeit in Berlin anzunehmen ist jedoch sehr optimistisch) bei 180 Umdrehungen pro Minute eine Leistung von ca. 38 Watt hat. Leistung [W] = Drehmoment [N m] Drehgeschwindigkeit [rad/s] Drehmoment = ca. 10 N m 31

32 4.3 Rechnungen zur Fahrradbremse Diese Berechnungen dienen zur Ermittlung der Bremskraft, die von einer Fahrradbremse erzeugt werden kann, um zu wissen ob sie für unsere WKA geeignet ist. Wir haben folgende Messungen an einem ganz normalen Fahrrad mit Cantilever Bremse durchgeführt. Es wurde lediglich die Vorderbremse benutzt. Das Gewicht (M) Fahrrades plus Fahrer liegt bei ca. 100kg. Die Geschwindigkeit des Fahrrades beträgt 12km/Stunde = 3,3m/s Das Fahrrad braucht 3 Sekunden um von 12km/Stunde auf 0km/Stunde abzubremsen. a [ m/s²] = v [ m/s ] / t [ s ] Das bedeutet, dass das Fahrrad eine Beschleunigung von -1,1 m/s² hat. F [N] = m [kg] a (m/s²) Die Kraft, die nötig war, um das Fahrrad zu stoppen beträgt 110N. Die Kraft, welche diese Beschleunigung erzeugt hat, ist die Reibungskraft zwischen Rad und Boden. Diese Reibungskraft kann man vereinfacht als Bremskraft annehmen, welche durch die Bremsbeläge erzeugt wird, weil der Abstand zwischen Rad und Felge klein genug ist. 32

33 Der Raddurchmesser ist mit 0,7m bekannt. Somit lässt sich das Drehmoment nach folgender Formel berechnen: M [ N m ] = F [ N ] d [ m ] Das Bremsmoment beträgt 38,5 N m und ist somit viel größer als erforderlich. 4.4 Zahnradbefestigung Beide installierten Zahnräder haben Probleme. Das größere Zahnrad ist nicht genau zentriert. Um das Problem zu beseitigen, müsste noch einmal gebohrt werden oder man müsste einen Kettenspanner installieren, um die Spannungen dort zu führen. Das kleine Zahnrad ist auf ein Kunststoffteil befestigt, welches die Belüftung des Elektromotors gewährleistet. Das Teil sollte nicht höheren Lasten ausgesetzt werden. Wie beim Elektromotor schlagen wir auch diesmal vor die Teile auszubauen und mit Hilfe anderer Metallteile direkt an den Achsen die Zahnräder zu fixieren. Zur Fixierung können diese Metallteile entweder an die Achse gepresst werden oder durch Erwärmung angepasst werden. 33

34 5. Kompressor und Rotor Von Miguel Arnal und Sebastian Scholz 5.1 Überarbeitung des Kompressors 5.2 Umarbeitung des Rotors 5.3 Kettenspanner einsetzten 5.1 Überarbeitung des Kompressors Bei dem Versuch den Elektromotor des bisherigen Kompressors auszubauen ist versehentlich der Hubkolben gebrochen, so dass eine weitere Nutzung des Kompressors unmöglich wurde. Der Elektromotor sollte entfernt werden, da er unnötig mitläuft, ohne eine Funktion zu erfüllen und damit den Gesamtwirkungsgrad unserer Anlage verschlechtert hätte. Es gab einige Diskussion über die Anschaffung eines neuen Kompressors innerhalb der gesamten Gruppe. Das Problem ist, dass alle handelsüblichen Kompressoren eine Mindestdrehgeschwindigkeit von ca. 2000u/min brauchen. Unsere Anlage wird diese Drehgeschwindigkeit wahrscheinlich nicht erreichen, weil wir nur eine begrenzte Leistung von unserem Rotor beziehen können. Die Kompressoren brauchen etwa 2000u/min, da sie gekoppelt sind mit einem Wechselstrommotor und für ein 50 Hz Netz optimiert sind. 34

35 Wir haben uns dafür entschieden trotzdem einen Kompressor anzuschaffen, denn auch der alte Kompressor war für 2000u/min ausgelegt, und so ist der bisherige Status wieder hergestellt. Der neue Kompressor wurde an unsere Anlage montiert, indem der Elektromotor entfernt und das passende Zahnrad an der Antriebswelle angebracht wurde. Die bisherige Befestigung des Kompressors ist weiter nutzbar, denn der neue Kompressor ist in seiner Befestigung mit Hilfe von zwei Schrauben noch variabel anpassbar. 5.2 Den Rotor überarbeiten Durch Schweißarbeiten am Rotor sind Spannungen aufgetreten, die dazu führten, dass sich die kreisrunden Metallscheiben, die sich jeweils am Fuße des Rotors befanden, verzogen haben. Daraufhin sollten diese zunächst gerade gedengelt werden. Nachdem sich herausstellte, dann die Scheiben nicht mehr zum bremsen gebraucht werden können (das war ihre vorgesehene Funktion), haben wir uns dazu entschieden, das Material, das nicht für die Stabilität des Rotors entscheidend ist, weitestgehend zu entfernen. Damit wurde ein Großteil der Unwucht beseitigt. Des Weiteren ist nun die bewegte Masse kleiner und nicht zu letzt sind die Rotoren nicht mehr so sperrig, so dass sie nun auch durch normale Türen passen. 35

36 5.3 Kettenspanner einsetzten Dieser Punkt entfiel, da die Messgruppe uns gebeten hat die Zahnräder lieber zu zentrieren und keine zusätzlichen Kettenspanner einzubauen, um die Messergebnisse nicht zu verfälschen. Um einen Kettenspanner überflüssig zu machen, wurde ein neues Zahnrad an die Rotorwelle angebracht, das zwar etwas kleiner ist als das alte, dafür aber einen deutlich unwuchtigeren Lauf hat und so einen Kettenspanner unnötig macht. 36

37 6. Herleitung des Wirkungsgrades Von Christian Appelt, Felipe Vasquez und Antonio Ruiz 6.1 Grundlagen der Windkraftanlagen 6.2 Theoretische Windleistung 6.3 Gesetz von Betz 6.4 Auswertung 6.5 Auslegung der Drehmomentmessvorrichtung 6.6 Messbetrieb 6.1 Grundlagen der Windkraftanlagen (WKA): Eine WKA entzieht der Luft kinetische Energie und wandelt sie um in mechanische Energie. Wie in Abb. 1 zu sehen ist, strömt die Luft in Richtung WKA und wird schon vor der Anlage aufgrund der Verdrängung dieses Körpers abgebremst. Dabei steigt der Druck kurz vor der WKA und fällt wieder ab. Der Querschnitt dieses Luftstromrohres vergrößert sich hinter der Anlage und damit folgt nach der Kontinuitätsgleichung, dass die Geschwindigkeit V2 < V1 ist. Abb. 1: Umströmung einer WKA und Druckverlauf. 6.2 Theoretische Windleistung Die Energie, die in der bewegten Masse der Luft enthalten ist, ist die kinetische Energie und wird definiert wie folgt: 1 E m v 2 2 Kin = L 1 (1) Bei einer translatorischen Bewegung mit konstanter Höhe muss diese E Kin aufgewendet werden um die Luftmasse aus dem ruhenden Zustand auf die Geschwindigkeit V 1 zu beschleunigen. Damit ist die kinetische Energie gleich der Arbeit, d.h.: EKin = W (2) 37

38 Allg. wird die Leistung als die zeitliche Änderung der Arbeit definiert. Damit gilt für die Windleistung: P Wind dw = (3) dt Aus (1) und (2) in (3) folgt für die Windleistung bei konstanter Geschwindigkeit: 1 PWind = m v 2 dml mit: m& L = dt 2 & L 1 (4) für ein inkompressibles Fluid, d.h. ρ = const. gilt für den Massenstrom: & L = ρl A1 v1 (5) m mit (5) in (4) folgt für die Windleistung: P Wind 1 ρ 2 3 = L A1 v1 (6) 6.3 Gesetz von Betz Die Herleitung des Wirkungsgrades bzw. Leistungsbeiwertes wird nach Betz wie folgt formuliert: In einer fiktiven Laufradebene (Abb. 2) wird aus der Reaktionswandkraft R W die Schubkraft FS berechnet: Abb. 2: fiktive Laufradebene R F F W = 1 2 (7) Unter Vernachlässigung der Druckverluste nach dem Laufrad folgt für die Schubkraft: 38

39 W S Savonius goes online - Ein Windrad wird vermessen & & (8) R = F = m v m v Zur Vereinfachung wird ein mittlerer Massenstrom der mittleren Geschwindigkeit v m (Abb. 2) und dem Rotorquerschnitt m& ( v + v ) 1 2 = ρ A (9) m L R vm m& m durch die fiktive Laufradebene aus AR berechnet. Durch Zusammenfassen der Terme in (8) lässt sich die Schubkraft mit (9) wie folgt formulieren: FS = m& m ( v1 v2 ) = ρl AR ( v1 v2 ) (10) 2 Aus einer weiteren Definition der Leistung (das Produkt von Kraft und Geschwindigkeit) kann man die nutzbare Windleistung durch den Rotorquerschnitt wie folgt definieren: PNutz = FS vm (11) aus (9) und (10) in (11) folgt: PNutz = ρl AR ( v1 v2 ) ( v1 + v2 ) (12) 4 Der Wirkungsgrad oder besser gesagt Leistungsbeiwert Nutzleistung zu Windleistung gebildet: cp wird aus dem Quotienten von c P 2 P 1 Nutz v 1 2 v 1 2 = = + PWind 2 v1 v 1 (13) Bei einem Verhältnis von v2 1 v = 3 besitzt diese Funktion das Maximum (siehe Abb. 3), 1 nämlich c P = 59,3%, d.h. dass beim optimalen Geschwindigkeitsverhältnis von 1/3 höchstens 59,3% der in der Luft enthaltenen kinetischen Energie in nutzbare Leistung umgesetzt wird. 39

40 Abb. 3: Verlauf des Leistungsbeiwertes. In der folgenden Tabelle sind Kennwerte für verschiedenen WKA aufgetragen. Turbinenname Vielflügler 2-Flügler Savonius Darrieus Achslage horizontal horizontal vertikal vertikal Technischer 60% 80% 40% 60% Wirkungsgrad bezogen auf c p = 59% Leistungsbeiwert c p 35% 47% 23% 35% Optimale Umfangs zu Windgeschwindigkeit Tabelle 1: Kennwerte verschiedener WKA 40

41 6.4 Auswertung Kernziel des diessemestrigen Projekts ist die Bewertung der Savonius-Windkraftanlage hinsichtlich der abgegebenen Leistung und des dabei herrschenden Wirkungsgrades. Da bei der verwendeten Drucklufterzeugung ein relativ niedriger Wirkungsgrad erwartet wird, wird ebenfalls der Rotor selbst hinsichtlich der genannten Eigenschaften überprüft. Der Übersichtlichkeit halber seien die beschriebenen Ziele folglich genannt: Rotorkennwerte 1. P Rotor ( λ, V Wind ) 2. c p ( λ, V Wind ) Anlagenkennwerte 1. P Anlage ( V Wind ) 2. η ( V Wind ) Es werden somit alle Kennwerte als eine Funktion der Windgeschwindigkeit und gegebenenfalls der Schnelllaufzahl λ dargestellt werden. Abb. 4: Blockschaltbild unserer Windkraftanlage Das obige Blockschaltbild gibt eine Übersicht über alle sinnvollen Messstellen an der Anlage. Aus Aufwandgründen haben wir uns für die Stellen 1, 3 und 4 entschieden. Von 1 nach 3 haben wir die Möglichkeit eine separate Rotorbewertung (leider einschließlich dem Getriebe) durchzuführen. Von 1 nach 4 wird eine Bewertung der vollständigen Anlage vollzogen. 41

42 Es ergeben sich also folgende Messwerte, die eingeholt werden müssen: V Wind =c (Windgeschwindigkeit) Lufttemperatur Rotordrehzahl Rotordrehmoment Druck im Druckspeicher Es folgt die explizite Berechung der gesuchten Kenngrößen: Anlagenwerte : η = η 14 p1 p1 p2v2 ln( ) p2v2 ln( ) p numerisch 2 p2 = = P ( t) dt P1 ( t) t 1 Somit ist η also nicht direkt eine Funktion der Windgeschwindigkeit. Für die Rechung sollte dennoch versucht werden, eine relativ schmale V Wind -Bandbreite zu verwenden. Die Windgeschwindigkeiten bei jedem Versuch gemittelt ergeben eine η (V Wind ) - Funktion. p1 p V p numerisch 2 2 ln( ) d 1 p2 Pges = p2v2 ln( ) = dt p2 t Wieder liegt die Schwierigkeit darin, einen Messbereich mit annähernd gleicher Windgeschwindigkeit und trotzdem ausreichend langem Betrieb für eine messbare Füllung des Druckbehälters zu finden. Liegen mehrere solcher Bereiche vor, so wird ein P ges (V Wind ) ermittelt. Rotorwerte : ω3m 3 c p = 1 3 ρ LuftvWind A 2 Diese Rechnung muss nun für verschiedene Schnelllaufzahlen bei gleicher Windgeschwindigkeit und für verschiedene Windgeschwindigkeiten bei gleicher Schnelllaufzahl durchgeführt werden. Es ergibt sich eine Kurvenschar im c p - λ-diagramm. P Rotor = ω 3 M Auslegung der Drehmomentmessvorrichtung Schwierigster Bestandteil der Anlagenbewertung ist die Leistungsermittlung an der Rotorwelle. Diese setzt sich wie folgt zusammen: P Rotor = M Rotor ω Motor 42

43 Hierbei stellt die Winkelgeschwindigkeit eine eher kleinere Hürde dar. Das Drehmoment an der Rotorwelle hingegen erweist sich als eine sehr schwer aufzunehmende Messgröße. Dennoch sind im Laufe unseres Projektes diverse Methoden zur Drehmomentmessung aufgekommen. Es seien hier nur einige davon genannt: Generatormethode Ein Generator mit bekannter Verlustleistung wird hinter dem Getriebe montiert. In einer Versuchsreihe mit unterschiedlichen Windstärken wird nun mir abgekoppeltem Kompressor die erzeugte Generatorspannung gemessen. Die somit gelieferte Leistung liefert mit wenigen Rechenschritten das Drehmoment des Rotors für diese Windgeschwindigkeit und Umdrehungsgeschwindigkeit. Gewichtsmethode Mit einem Bremshebel wird ein Bremsmoment an der Rotorwelle erzeugt. Mit Hilfe einer Umlenkvorrichtung wird dieser Hebel mit Gewichten belastet. In einer Versuchsreihe wird vorher der Reibbeiwert des besagten Hebels ermittelt. Es ergibt sich nach einigen Versuchsreihen ein Rotorkennfeld, welches das Drehmoment abhängig von Windgeschwindigkeit und der Schnelllaufzahl liefert. Drehmomentsensor Ein Drehmomentsensor wird in Form eines Dehnmessstreifens oder einer Messwelle angebaut und liefert das anliegende Drehmoment zu jeder gewünschten Zeit. Lasttrummethode An der Lasttrumseite des Kettengetriebes wird ein Umlenkrad montiert, welches bei konstanter Lage eine Drehmomentabhängige Lagerkraft aufbringen muss. Diese wird mit Hilfe eines Kraftmessers ermittelt. Aufgrund von Kosten- und Baueinsparungen haben wir uns letztlich für die Lasttrummethode entschieden. Oben abgebildet ist die verwendete Lasttrummethode zur Drehmoment-Bestimmung. Aufgrund der Tatsache, dass wir einen Zugkraftmesser verwenden, ist es nun unabdingbar eine Kraftabschätzung zu liefern, um die Mindestbruchfestigkeit und den Messbereich zu bestimmen. Hierzu wird eine Unter- und Obergrenze für die auftretenden Windgeschwindigkeiten ermittelt. 43