Sommerakademie Salem 2008 Neue Energien Vortrag: Windenergie und ihre Nutzung (Carl Pölking)
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- Viktor Sauer
- vor 8 Jahren
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1 Sommerakademie Salem 2008 Neue Energien Vortrag: Windenergie und ihre Nutzung (Carl Pölking)
2 Windenergie und ihre Nutzung
3 Ein wenig Vortragstheorie Text: Informativ Lehrreich Bildchen: Illustrativ Mathematik: Instruktiv Schön Schön lehrreich
4 1. Geschichte der Windenergienutzung 2. Windleistung und Betzsches Gesetz 3. Windkraftkonverter 4. Zukunftspotenzial - Entwicklungstrends
5 1. Geschichte der Windenergienutzung 2. Windleistung und Betzsches Gesetz 3. Windkraftkonverter 4. Zukunftspotenzial - Entwicklungstrends
6 Anfänge 1 - ca v.chr. erste Zeugnisse von Windmühlen in Persien und China Zweck: Getreidemühlen, Wasserpumpen - Älteste Varianten sind Widerstandsläufer (Antrieb durch Impulsübertrag) mit vertikaler Drehachse. Beispiel: Persische Windmühle - Aber: Chinesische Windmühle war Auftriebsläufer.
7 Europa Jahrhundert: Windmühlen kommen nach Europa. Es werden von vornherein nur Auftriebsläufer mit horizontaler Drehachse gebaut! - Grund? Wissensaustausch mit den seeund segelerfahrenen nordischen Völkern => aerodynamische Kenntnisse + hohes Level der Handwerkskunst (Zünfte) - Neue Anwendungsgebiete: Textilindustrie, Sägewerke, Eisenverarbeitung etc. - Industrialisierung: Windkraftnutzung wird zur Nische der technischen Entwicklung
8 Moderne 3 - Ende des 19. Jahrhunderts: Windräder versorgen ländliche Gebiete erstmals mit Elektrizität. => Windkraft wird für wissenschaftliche Forschung interessant : Albert Betz entdeckt das nach ihm benannte Betzsche Gesetz. - Konzeptfülle: Windkraftanlagen werden zusehends leistungsstärker, effizienter, leiser.
9 1. Geschichte der Windenergienutzung 2. Windleistung und Betzsches Gesetz 3. Windkraftkonverter 4. Zukunftspotenzial - Entwicklungstrends
10 Wind ja. Aber woher? 1 - Lokal: Allein Druckgradienten / Temperaturgradienten sind Ursache für Windentstehung (Druck und Temperatur über Gasgleichung in Beziehung gesetzt) - Global: Zusammenspiel von Druckgradient, Corioliskraft und Zentrifugalkraft Höhe H Gradientenkraft Boden T Land Berg Konvektion Seewind Bergwind T H Meer Tal
11 Standortwahl 2 - Natürlich versucht man, Windkraftanlagen dort zu bauen, wo die Windenergiedichte besonders hoch ist. => Ausnutzen von See- und Bergwinden sowie natürlichen Windkonzentratoren: Tunneleffekt Hügeleffekt - Rauigkeit des Terrains: Wälder bremsen den Wind stark, Wasser hingegen kaum - Windscherung: Windgeschwindigkeit nimmt mit Höhe zu ( )
12 Was steckt im Wind drin? 3 - Kontinuierliche Weibull-Verteilung(Rote Kurve): Gibt für einen festen Ort die Häufigkeit verschiedener Windgeschwindigkeiten an -Leistung des Windes pro Fläche: => Windleistung wächst mit dritter Potenz der Geschwindigkeit! -Verdopplung der Höhe:
13 Auftriebsläufer 4 - Bernoulli-Gleichung (Strömendes Medium): => Dies liefert für die auf den Rotor ausgeübte Kraft Wir kennen noch eine andere Darstellung:. v =>
14 Betzsches Gesetz 5 - Wir berechnen nun die vom Kraftwerk umgesetzte Leistung: wobei wir eingesetzt bzw. definiert haben:, ;. -Bei welchem und gegebenem wird maximal? - Jedes wie auch immer geartete Windkraftwerk kann dem einströmenden Wind höchstens 59% seiner Leistung entziehen!
15 Betzsches Gesetz 6 -Das BetzscheGesetz beschreibt keinenwirkungsgrad. Es definiert den maximalen. 0,44 600kW 9 m/s Leistungsbeiwertkurve Leistungskurve -Zum Vergleich: Widerstandsläuferlassen deutlich mehr Leistung passieren:
16 Jahresproduktion 7 -Windkraftwerke werden stets für bestimmte Windklassen(gemäß Weibull) optimiert. 0,44 Einzel-WKA Durchschnittliche Leistung in Periode T: 600kW Windpark Leistungskurve 9 m/s Leistungsbeiwert Wir wissen aber, dass stark mit v variiert. Deswegen sind Standorte mit möglichst konstanter Windstärke gefragt. => Offshore Windparks - Nennleistung: Leistung bei Nennwindgeschwindigkeit > Auslegungswindgeschwindigkeit Bei Auslegungswindgeschwindigkeit wird der Leistungsbeiwert maximal.
17 1. Geschichte der Windenergienutzung 2. Windleistung und Betzsches Gesetz 3. Windkraftkonverter 4. Zukunftspotenzial - Entwicklungstrends
18 Typenkunde 1 Crossdraft Updraft Downdraft
19 Typenkunde 2 Wind unwirksam Auftriebsläufer Widerstandsläufer
20 Typenkunde 3 HAWT(Horizontale Drehachse): Vorteile Dank Pitch/Stall besser kontrollierbar Profitiert wegen Turmhöhe von Windscherung Hoher Leistungsbeiwert Nachteile: Turbulenzanfällig Luvläufer: Ausrichtung am Wind notwendig Starke mechanische Belastungen Hohe Installationskosten (u.a. massiver Turm) VAWT(Vertikale Drehachse): Vorteile: unabhängig von Windrichtung Geringere Materialbelastung Bau, Betrieb, Wartung einfacher Hohe Turbulenztoleranz Geringe Reibungsverluste Nachteile Leistungsbeiwert geringer Profitieren nicht von Windscherung Luvläufer Leeläufer
21 Typenkunde 4 Langsamläufer Schnellläufer
22 Warum Schnellläufer? 5 - Dralleffekt: Hinter einem Windkraftwerk ist der Wind zum einen abgebremst, zum anderen aber erhält er eine neue Geschwindigkeitskomponente. - Es ergibt sich eine weitere Verschärfung des Betzschen Gesetzes (Maximaler Leistungsbeiwert nach Schmitz). Besonders Langsamläufer sind vom Dralleffekt betroffen.
23 Kompromiss 6 - Was sollte ein Windkraftwerk erfüllen? Hoher Leistungsbeiwert => Auftriebsläufer; HAWT Möglichst geringer Dralleffekt => Schnellläufer Schnellläufer => Geringe Rotoranzahl
24 So kennen wir s 7 Fundament 30% 25% Turmhöhe Nabenhöhe Binnenland Küste 20% Nennleistung 5% (Anteil an Baukosten)
25 Triebstrang 8 Getriebe: Die Rotorwelle dreht sich langsam mit hohem Drehmoment, der Generator schnell bei geringem Drehmoment Kühlung: Generatorwirkungsgrad > 94% => Wasserkühlung bei großen Anlagen nötig
26 Gondel 9 Aufgelöste Bauform
27 Gondel 10 Getriebelose Bauform
28 Generator 11 Ringgenerator mit hoher Polzahl: Geringe Umdrehungsfrequenz, erspart u.a. Getriebe Aber: Ringgeneratoren sind teuer und schwer. Deswegen: Hauptsächlich Verwendung von modifizierten Asynchron-Generatoren mit Getriebe
29 Rotorendesign 12 - Widerstandsbeiwert : Maß für den Strömungswiderstand eines Körpers - Auftriebsbeiwert : Maß für die Auftriebsfreudigkeit eines Profils -Gleitzahl ; ;
30 Rotorendesign 13 - Parameter beim Rotorendesign: Profil und Tiefe Das Optimierungsziel ist schlicht maximaler Auftrieb. -Windgeschwindigkeit v, Umlaufgeschwindigkeit u(r) => Anströmgeschwindigkeit Auftriebs-, Widerstandskraft (s.o.): Profil und Blatttiefe sollten also radiusabhängig sein (=> u.a. Verwindung). - Die optimale Blatttiefe kann theoretisch hergeleitet werden:
31 Rotorendesign 14
32 Drehzahlregulierung 15 - Wir haben gesehen, dass Windkraftwerke bei bestimmten Schnelllaufzahlen besonders effizient arbeiten. => Drehzahlregulierung Durchgängig hoher Leistungsbeiwert Betrieb bei hohen Windgeschwindigkeiten möglich (verhindert Überbeanspruchung) - Methoden zur Drehzahlregulierung Stall (Selbstregulierend) Pitch Aktiv-Stall
33 Drehzahlregulierung 16 Stall Pitch
34 Drehzahlregulierung 17
35 Drehzahlregulierung 18
36 Windkraft - Deutschland 19 -Umrechnen: ; Schleswig-Holstein: 1MW Nennleistung ergibt 260KW Jahresdurchschnittsleistung!
37 Mr. Windkraft
38 Aufholjagd
39 Mal anders gesehen 22 20% Anteil an der Gesamtstromproduktion 12% China Frankreich USA Indien Deutschland Spanien Dänemark 4% 10TWh 3TWh 30TWh 14TWh 40TWh 30TWh 8TWh
40 1. Geschichte der Windenergienutzung 2. Windleistung und Betzsches Gesetz 3. Windkraftkonverter 4. Zukunftspotenzial - Entwicklungstrends
41 Aufwindkraftwerk 1 -Wind lässt sich auch selbst herstellen : Alles, was man braucht, ist ein Temperaturgradient. Wir nutzen dazu den Treibhauseffekt und landen bei folgender Bauform: -Vorteile: Benötigt kein Kühlwassersystem Profitiert auch von diffuser Solarstrahlung Gewährleistet 24 Stunden-Betrieb auf rein solarer Basis ( Wasserspeicher) -Nachteil: 200MW Leistung => Kaminhöhe 1000m, Kollektorfläche 36km²: Teuer!
42 Aufwindkraftwerk 2 Relative Nutzlast
43 Aufwindkraftwerk 3 -Ausgangsleistung: ; Der Kamin wandelt den vom Kollektor gelieferten Wärmestrom in kinetische Energie (Konvektionsströmung) und potenzielle Energie um (Druckabfall an der Turbine) => Dichtedifferenz: Luftsäule im Turm <-> Umgebungsluft H ΔT v
44 Aufwindkraftwerk 4 - Gesamtleistung. Anders dargestellt: - Strömungsgeschwindigkeit im Turm: (Freier Fall + ΔT) => Wirkungsgrad: (Hängt nur von Turmhöhe ab) -Typisches Kraftwerk: H=1000m; ΔT = 35K, v = 15 m/s; => = 1%
45 Aufwindkraftwerk 5
46 Fallwindkraftwerk 6 - Vorteil: Fallwindkraftwerke benötigen keinen Kollektor. - Nachteil: Es sind ein Wasserreservoir - Nachteil: Es sind ein Wasserreservoir sowie Wasserpumpen von Nöten.
47 Vortex Engine 7 Atmospheric Vortex Engine(nach Louis Michaud) - Konzept: Stromerzeugung mithilfe eines künstlichen Tornados ( Windstrudelkraftwerk ) - Vermag Abwärme eines konventionellen Kraftwerks zu nutzen => Wirkungsgraderhöhung
48 Vortex Engine 8 Warum funktionierts? Antwort: Hurrikane sind ein Carnot-Zyklus! Adiabate Verwandschaft zum Aufwindkraftwerk: Der Wirbel simuliert einen besonders hohen Kaminturm, der bis an die Stratosphäre reicht (50-500MW, ).
49 Vortex Engine 9
50 Vortex Engine 10
51 Und dann noch 11 Airborne Windturbine
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