Einfluss der Anzahl der Rotorblätter

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1 Einfluss der Anzahl der Rotorblätter ENT Schlüsselworte Windenergie, Leistung, Windkraftanlage, Generator Prinzip In Europa sind derzeit relativ große metallische Formationen mit drei Rotorblättern als Windrad zu finden, während früher vier Blätter bei Windmühlen üblich waren und anderenorts sogar noch mehr Rotorblätter zu finden sind. Jede Bauweise hat ihre individuellen Vorzüge und ist unter den jeweiligen Bedingungen als geeignet zu bezeichnen. In diesem Versuch soll untersucht werden, wie sich die Anzahl der Rotorblätter auf die Leistung des Windrades auswirkt. Dazu werden zwei Messreihen mit unterschiedlicher Rotorzahl aufgenommen, wobei der Abstand zwischen Gebläse und Rotorblättern ebenfalls variiert wird, um einen Vergleich für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten zu erhalten. Material *2 Leitungsbaustein, Anschlussbaustein, DB *1 Lampenfassung, DB *1 Gebläse, 12 V *1 Generator mit 3 mm Achse *1 Rotor, 2 Stück *2 Klemmhalter mit 2 Spannstellen *1 Gleiter für Stativbank *2 Stativstange, Edelstahl, l = 500 mm *1 Maßstab für Demo-Tafel *1 Muffe auf Träger für Demo-Tafel *1 Glühlampe 3,5 V / 0,2 A, 1 St. von Zusätzlich wird benötigt 1 Demo Physik Hafttafel mit Gestell Netzgerät universal **1 Cobra4 Wireless Manager **1 Cobra4 Wireless-Link **1 Cobra4 Sensor-Unit Energy **1 Halter für Handmessgeräte **1 Software measure für Cobra Verbindungsleitung 250 mm, gelb Verbindungsleitung 500 mm, blau Verbindungsleitung 750 mm, rot Verbindungsleitung 750 mm, blau PC, USB-Schnittstelle, XP, Vista, Win7 * In Set ENT 1 enthalten ** In Cobra4 Ergänzungsset enthalten Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 ENT Einfluss der Anzahl der Rotorblätter Hinweis Das Gebläse darf maximal mit einer Spannung von 12 V betrieben werden, da sonst das Gerät irreparabel beschädigt werden könnte. Vorschicht beim Umgang mit dem Generator. Das hineinfassen in die sich drehenden Rotorblätter ist zu vermeiden. Aufbau - Den Lampenstromkreis nach Abb. 1 mit der 3,5-V-Glühlampe aufbauen. - An der linken Seite der Tafel die Muffe auf Träger sorgfältig festschrauben und darin das Gebläse haltern. - Das Gebläse so ausrichten, dass es einen waagerechten Windstrahl entlang der unteren Hälfte der Tafel erzeugt. - Das Gebläse mit dem Gleichspannungsausgang des Netzgerätes verbinden. - Das Netzgerät ist ausgeschaltet. - Für das Windrad eine Stativbank aufbauen: Die beiden Klemmhalter auf den Tisch stellen Den Gleiter auf die beiden Stativstangen schieben und die Stangen durch die beiden Bohrungen in den Klemmhaltern führen Abb. 2: - Die Stativbank auf die Tafel setzen (Abb. 1) und waagerecht ausrichten. - 6 Rotorblätter am Windgenerator befestigen. - Den Windgenerator in die Bohrung des Gleiters setzen. - Der Abstand zwischen Windgenerator und Gebläse soll 5 cm betragen (Abb. 2). Aufbau Windrad und Gebläse Abb. 3: Messwertaufnahme: Leistung in Abhängigkeit von der Rotorzahl 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Einfluss der Anzahl der Rotorblätter ENT - Gegebenenfalls den Abstand des Gebläses zur Tafel korrigieren und die Höhe des Generators durch Verschieben im Gleiter einstellen. - Den Maßstab waagerecht auf Höhe des Rotors anlegen. - Den Generator mit der Glühlampe über die Cobra4 Sensor-Unit verbinden (Abb. 1). - Darauf achten, dass das rote Kabel vom Generator mit der ma -Buchse der Cobra4 Sensor-Unit Energy verbunden wird. Durchführung - PC und Windows starten. - Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PC stecken. - Softwarepaket measure am PC starten. - Cobra4 Wireless-Link mit der Cobra4 Sensor-Unit verbinden. Nach dem Einschalten wird die Sensor-Unit automatisch erkannt und dem Cobra4 Wireless-Link wird eine ID-Nummer zugewiesen, die im Display sichtbar ist. Die Kommunikation zwischen dem Cobra4 Wireless Manager und dem Cobra4 Wireless-Link wird durch die LED Data angezeigt. - Cobra4 Wireless-Link mit angesteckter Cobra4 Sensor-Unit Energy einschalten. Die Sensor-Unit und die elektrischen Größen U, I, P und W werden als Messkanäle angezeigt. - Experiment laden ( Experiment > Experiment öffnen > ) Windrad mit 6 Rotorblättern - Die Spannung am Netzgerät auf 0 V stellen. - Das Netzgerät einschalten. - Ein Spannung von 12 V einstellen. - Messwertaufnahme in measure starten. - Eine Einzelmessung durchführen. - Den Abstand zwischen Windrad und Gebläse um 5 cm Vergrößern. - Eine weitere Einzelmessung durchführen. - Die letzten beiden Schritte wiederholen, bis ein Abstand von 40 cm erreicht wird. - Die Messwertaufnahme in measure beenden. - Das Netzgerät auf 0 V stellen. 2. Windrad mit 3 Rotorblättern - Drei der sechs Rotorblätter vom Windgenerator entfernen und das Windrad wieder auf einen Abstand von 5 cm zum Gebläse bringen. - In measure Wiederholungsmessung wählen. - Das Netzgerät wieder auf 12 V einstellen und die Messung mit nun drei Rotorblättern wiederholen. - Die Messwertaufnahme in measure beenden. - Das Netzgerät auf 0 V stellen und ausschalten. - Die Messwerte in das measure Hauptprogramm übertragen. P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

4 ENT Einfluss der Anzahl der Rotorblätter Beobachtung Beide Leistungskurven sinken mit steigendem Abstand, wobei dies nicht linear ist. Bei sechs Rotorblättern leuchtet die Glühlampe bis zu einem Abstand von 15 cm. Bei drei Rotorblättern leuchtet die Glühlampe nicht. Das Windrad bleibt sogar bei einem Abstand von 40 cm ganz stehen. Abb. 5: Messwertauswertung: Leistung in Abhängigkeit von der Rotorzahl Auswertung Verwendet man die Funktion Vermessen, so lässt sich erkennen, dass mit nur 3 Rotorblättern weniger als 20 % der Leistung des Windrades mit 6 Rotorblättern erreicht wird. Die Leistung ist deutlich kleiner bei geringerer Rotorzahl, weil sich damit die Fläche verkleinert, auf die die Windkraft wirken kann. Weiter sind bei sechs Rottorblättern die Blätter in der Mitte so dicht beieinander, dass die an einem Blatt vorbeiströmende Luft auf ein weiteres Rotorblatt trifft. Bei steigendem Abstand sinkt die Windgeschwindigkeit, beziehungsweise die durch den Wind ausgeübte Kraft. Durch die geringere Rotation der Blätter wird eine geringere elektrische Leistung im Generator erzeugt. Anwendung Wie in diesem Versuch deutlich wird, wäre ist es eher sinnvoll, viele Rotorblätter am Generator zu verwenden. Trotzdem werden neue Windkraftanlagen meist nur mit drei Rotorblättern ausgestattet, manchmal sogar nur mit zweien. Ein Grund dafür ist, dass jedes zusätzliche Blatt auch ein deutlich größeres Gewicht bedeutet, da die Anlage aus Metall besteht und mehrere Tonnen wiegt. Die Herstellung einer entsprechenden Halterung wäre zu teuer und auch technisch nur schwer umsetzbar. 4 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

5 Einfluss der Anzahl der Rotorblätter ENT Hinweise Korrespondenz Schülerversuche TESS EN 5.5 Einfluss der Anzahl der Rotorblätter (P ) Für die Durchführung des Versuches ohne PC werden die in der Materialliste (Seite 1) aufgeführten und mit (**) gekennzeichneten Artikel durch Folgende ersetzt: Versuch P Cobra4 Mobile-Link Cobra4 Sensor-Unit Energy Cobra4 Display-Connect, Set aus Sender und Empfänger Halter für Handmessgeräte Digitale Großanzeige Versuch P Arbeits- und Leistungsmessgerät P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 5

6 ENT Einfluss der Anzahl der Rotorblätter Raum für Notizen 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P