Ergebnisse des Forscherteams Energie des 2 Campus 2014

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1 Wie kann man die Rotoren von Kleinwindkraftanlagen optimieren, so dass sie möglichst leise und effizient sind? Ergebnisse des Forscherteams Energie des 2 Campus 2014 WWF Deutschland Universität Münster

2 Gliederung 1. Einleitung 2. Forschungsfrage und Autor/innen 3. Grundlagen Aerodynamik + Windkraftanlagen 4. Durchführung 5. Eigene Forschungsprojekte 6. Auswertung 7. Eigene Rotordesigns 8. Fazit 9. Anwendung

3 1.1 Einleitung Der Anteil des Energiesektors am Gesamt-Kohlendioxid-Ausstoß ist immens; gleichzeitig ist Windkraft eine der Erneuerbaren Energien mit großer Effizienz und hohem Potential wichtig zum Erreichen des 2 C-Limits bis Quelle: Umweltbundesamt

4 1.2 Einleitung Windparks werden meistens von großen Energieunternehmen geführt, die erzeugte Energie wird ins Netz eingespeist. Eine Dezentralisierung der Stromerzeugung führt zu privater und politischer Unabhängigkeit. Solche privaten Windräder müssten auch bei wenig Wind funktionieren, leise sein und gesellschaftlich akzeptiert werden. MExLab Windparks meistens von großen Energieunternehmen (Onshore und Offshore) erzeugte Energie wird ins Netz geleitet Dezentralisierung Rotoren auf privaten Hausdächern für den eigenen Haushalt Energie erzeugen Rotordesign funktionieren auch bei wenig Wind leise während des Betriebs Akzeptanz von der Gesellschaft

5 2. Forschungsfrage & Autor/innen Wie kann man die Rotoren von Kleinwindkraftanlagen optimieren, so dass sie möglichst leise und effizient sind? Carolin Angulo Hammes Jorma Görns Joschka Kieser Alina Schubert Jennifer Zeppenfeld Juniormentorin Lisa Storcks Mentor Daniel Bocola

6 3.1 Grundlagen - Aerodynamik Experimente zu Luftströmungen Bernoulli hohe Geschwindigkeit = hoher Druck geringe Geschwindigkeit = geringer Druck führt bei Flugzeugen zu dynamischem Auftrieb, kann jedoch WKAs zerstören Verwirbelungen bremsen die Rotoren wirken gegen den dynamischen Antrieb sind für die Lautstärke der Windkraftanlagen verantwortlich Dynamischer Auftrieb Widerstandsund Auftriebskräfte wandeln Windenergie in Rotationsenergie um führt richtig eingesetzt zu schnelllaufenden Windrädern

7 3.2 Grundlagen - Windkraftanlagen HAWT Horizontal axis wind turbine effizienter als VAWT müssen in den Wind gedreht werden benötigen stabile Windrichtungen stark verbreitet VAWT Vertical axis wind turbine leiser als HAWT windrichtungsunabhängig laufen auch bei sich schnell ändernden Windrichtungen eher unbekannt und weniger erforscht

8 4. Durchführung Wie haben wir gearbeitet? experimentelle Erarbeitung der Grundlagen Aufspaltung des Themas in selber entwickelte Forschungsfragen Messungen an verschiedenen Rotordesigns Modellierung selbstentwickelter Modelle Materialien: Anemometer Experimentierkasten Strobofrequenzgerät Luftstromerzeuger Mikrometer diverse Modelle zum Testen

9 5. Eigenschaften verschiedener Rotoren 1 Experiment 1 Windgeschwindigkeit 8m/s; Abstand zum Luftstromerzeuger 30cm Wie kann man die fertigen HAWT Rotoren verändern, sodass die el. Spannung am höchsten ist? Frequenz 3 Rotoren normal 472 U/min 3,2V 3 Rotoren 302 U/min 4V zugeschnitten 6 Rotoren normal 356 U/min 3,0V Spannung Experiment 2 Windgeschwindigkeit 8m/s; Abstand zum Luftstromerzeuger 30cm Welcher Propeller erzeugt die größte el. Spannung? Spannung Lautstärke 7x6 (weich)* 1,19V nicht hörbar 7x6 (fest)* 1,13V nicht hörbar 6x4 (weich)* 1,86V am lautesten 7x5 (fest)* 1,34V nicht hörbar 7x4 (fest)* 1,43V hörbar *erste Zahl: Rotorlänge; zweite Zahl: Verwringung; Angabe in Klammern: Beschaffenheit des Materials Fazit Selbstgebaute HAWT - Rotoren verschiedene Propeller 6 Rotoren laufen schneller an als 3; haben aber ähnliche Spannung spitze Rotorenden vermindern Verwirbelungen flexibles Material erhöht die Spannung

10 5. Eigene Forschungsprojekte 2 Forschungsfrage Wie sind die Drehfrequenzen bei VAWT Rotoren bei einer hohen Windgeschwindigkeit? Bedingungen - Windgeschwindigkeit 8.5 m/s - Abstand zur Windquelle 20 cm - angeschlossenes Multimeter - angeschlossene Leuchtdiode Verdrehter Savonius 2-Blatt Savonius 3-Blatt Savonius Spannung in V Frequenz in Hz Verdrehter Savonius Savonius mit 2 Blättern Savonius mit 3 Blättern Fazit - 3-Blatt am effizientesten - größere Fläche ist am leistungsstärksten

11 5. Eigenschaften verschiedener Rotoren 3 Wie hoch ist die generierte Spannung verschiedener VAWT-Modelle in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit? U in V U in V Spannungsverlauf bei wachsender Windgeschwindigkeit v in m/s Maximal im Versuch gemessene Spannungen (v = 12 m/s) Eigene Grafik Eigene Grafik Ø Windgeschwindigkeit Mittel- und Süddeutschland: 2 3 m/s verdrehter Savonius-Rotor Ø Windgeschwindigkeit Norddeutschland: 4 5 m/s verdrillter Savonius-Rotor (2- oder 3-blättrig)

12 6. Auswertung Windkarte in 10 m Höhe HAWT Mehr Rotorblätter laufen bei niedrigen Windgeschwindigkeiten schneller an. Flexibles Material erhöht die el. Spannung. VAWT Rotoren mit möglichst großer Fläche sind bei niedrigen Windgeschwindigkeiten besonders effizient. Für die Windgeschwindigkeiten in Deutschland (bis 5m/s) eignen sich Savonius Rotoren besonders. Die Voraussetzungen für Kleinwindkraftanlagen sind entscheidend anders als für konventionelle Windräder. Daher sind die Anforderungen an das Design an die Windverhältnisse in ca. 10 m Höhe anzupassen. Unseren Untersuchungen zufolge eignen sich bestimmte VAWT-Designs besonders für diese spezielle Ausgangssituation. Quelle: Deutscher Wetterdienst

13 7. Eigene Rotordesigns - eigene Vorüberlegungen vor der Fahrt nach Münster - Optimierung der Ideen während der Forschungsphase - Fertigstellung als 3D-Druck oder Fimo-Modell

14 8. Fazit Um Windkraftanlagen möglichst leise und effizient zu gestalten, müssen die Verwirbelungen an den Rotoren reduziert werden. Via flickr_sarah Grice VAWTs mit ihrer geringen Lärmentwicklung, ihrer hohen Toleranz gegenüber turbulenten Windverhältnissen und ihrem geringen Platzbedarf sind daher besser geeignete Kleinwindkraftanlagen als HAWTs.

15 9. Anwendung Welches Windrad passt zu mir? Vorschlag eines Flowcharts zur kriterienorientierten Wahl eines Windrads: Via flickr_carsten Frenzl Eigene Grafik

16 Kontakt MExLab Physik Westfälische Wilhelms-Universität Münster Corrensstraße 2b Münster Tel.: Fax: Alle verwendeten Grafiken sind selbst erstellt.

17 Vielen Dank!