05_Windenergie

ist verantwortliche für die globale und lokale Bewegung der Luftmasse innerhalb der Erdatmosphäre.

2,5 % der Solarstrahlung wird für Atmosphärenbewegung genutzt

die in bewegte Luft enthaltene Energie, die von Windkraftanlagen genutzt werden, sind sekundär Formen solarer Energie

Entsteht als Ausgleichsströmung, wenn Luftdruckunterschiede entstehen.

Luftmassen strömen entsprechend der Druckgradienten von Gebieten höheren Luftdrucks in Gebiete mit einem tiefen Luftdruck

Durch Druckgradienten entstehende Gradientkraft,

Corioliskraft

Zentrifugalkraft

besteht in großen Höhen ein Druckgefälle, bewegt sich ein Luftteilchen, in diesem Druckgefälle, von einem punkt höheren Luftdrucks zu einem punkt niedrigen Luftdrucks. Von p1 zu p2.

Durch die Bewegung beschleunigt Gradientenkraft das Luftteilchen und die Geschwindigkeit nimmt zu. zusätzlich erhöht sich die Coroliskraft und es kommt zu ständigen Richtungsdrehungen des Geschwindigkeitsvektors. Geschieht bis Betrag Corioliskraft= Betrag Gradientenkraft => Kräftegleichgewicht. Ab dann bewegt es sich parallel zu den Drücken p1 und p2

derartiger wind = geostropischer Wind

Je größer Druckunterschied desto höher reslutierende Windgeschwindigkeit.

isobaren = gekrümmt

ergänzent zur normalen Windbewegung wirkt Zentrifugalkraft; weißt radial nach außen

entstehender Wind = Gradientwind

Tief: Nordhalbkugel gegen Uhrzeigersinn; Südhalbkugel im Uhrzeigersinn

Hoch: gegengesetzt

Aufgrund von Hoch- und Tiefdruckgebieten entstehen weltweites Luftzirkulationsystem, verantwortlich globaler Luftaustausch

Zur energetischen Nutzung werden nur Luftbewegungen in Bodennähe genutzt -> bisher nicht möglich Energie der bewegten Atmosphäre in größeren Höhen zu nutzen.

genutzt wird antitriptische Winde in der planetarische Grenzschicht (Reibungsschicht)= wirken luftteilchen mit den bekannten Kräften, die beeinflusst werden durch EFFEKTE IM ZUSAMMENHANG MIT DER RAUEN OBERFLÄCHENSTRUKTUR.

thermische Auf- und Abwinde

land- und Seewinde

Berg- und Talwinde

entstehen alle nach dem gleichen Prinzip:

Aufsteigende Luftmasse in Gebieten, die durch Sonnenstrahlung rasch erwärmen; absteigende Luftmasse in Gebieten mit geringeren Erwärmung

1. laminare Unterschicht: sehr dünn, Luftströmung turbulenzfrei

2. Prandtl-Schicht: 10-100m über grund, turbulenter strömung, transport Impuls, Wärme und Wasserdampf, bestimmt durch thermische Schichtung und bodenrauigkeit

3. Ekman-Schicht: kommt zur Winddrehung in Richtung des geostropischen Windes, oberen Grenze geostrophische Winde

durch rauigkeit wird Windgeschwindigkeit bestimmt, darunter zählt Bewuchs und Bebauung.

Oberflächen geringer Rauigkeit -> Windgeschwindigkeiten nehmen schnell zu

hohe Bodenrauigkeit, windgeschwindigkeit Atmosphäre erst später in großen höhen erreicht.

proportional der dritten potenz der Windgeschwindigkeit, hängt außerdem von Dichte der Luft und der durchströmten Fläche ab.

in Küstengebiete der Erde oft vergleichsweise hohe mittlere Luftströmungsgeschwindigkeiten

Windgeschwindifgkeitedn nehmen ausgehend vom Äquator, relativ geringe Luftströmungen, in Richtung Noden und Süden zu

Gebieten mit hohen Gebirgen durchschnitts geschwindigkeit höher

ähnliche angaben lassen sich auch in Deutschland treffen

Windgeschwindigkeiten sind Tages und Jahresabhängig, aber vorallem auch Monatlich abhägnlich. Abhängig von der Witterung und Temperaturen. lassen sich aufgrund großer abweichungen schlecht Rückschlüsse ziehen.

Um die großtmögliche Energieefizienz zu erreichen muss die Windkraftanlage richtig ausgerichtet werden. In die richtung über die am häufigsten über jahr verteilt der höchste Wind auftritt. Dies stellt man mithilfe von messungen an möglichen montageorten fest.

stationäre, inkompressible, reibungs- und drallfreie Strömung,

keine äußeren Strömungsbeeinflussung,

nur kinetische Energie ist technisch nutzbar

Ergebnis: Betz´sche Gesetz

Windleistungsgleichung -> doppelte Windgeschwindigkeit = achtfache Leistung

Wind darf nicht auf 0 m/sabgebremst werden: Luftstau -> Rotor verstopft, keine neue Luft strömt nach.

Betz´sche Gesetz: dem Wind können theoretisch maximal 16/27= 59,3% seiner Energie entzogen

in der reality entstehen während dem Entziehen der Energie Verluste.

Größte Verluste: Aerodynamik (Drall, Profilreibung, Blattspitzenwirbel)

Geringere Verluste: Mechani (Reibung) und Elektik (Wärme)

Aerodynamik drückt cp Wert von 59,3% auf 45%

Phase 1:​

Kein Anlaufen der Anlage aufgrund zu geringer Windgeschwindigkeit, Stillstand, Reibung>Windkraft​

Phase 2: Teillast​

Strömungsgeschw. übersteigt Anlaufgeschwindigkeit, Leistung steigt mit dritter Potenz​

Phase 3: Volllast​

Leistungsbeschränkung nicht über Nennleistung hinaus​, ABregelung beginnt= Generator und Getriebe würden bei weiter steigendem Wind mechanische überlasten.

Phase 4:​

Abschaltung zum Schutz der Anlage

Rotor: Blätter, Nabe, Pitch -> Windenergie wird in mechanische Rotationsenergie umgewandelt, alle aerodynamischen einflüsse geschehen hier

Triebstrang: Welle, Lager, Getriebe -> Rotationsenergie wird in Generatordrehzahl umgewandelt

Generator: Gernerator, Umrichter, Transformator -> umeandlung von mechamisch zu elektrisch in netzkonform

Netzanschluss

Turm: Tragestruktur und Windnachführung, trägt dynamische Lasten, Eigenfrequenz muss außerhalb Rotor-Anregungsfrequenz liegen

Rotorblatt: aerodynamisches Profil

Blattgeometrie: tordiert, damit jeder Abschnitt optimal angeströmt wird und verjüngt, anströmwinkel über länge optimiert, unterschiedliche anströmwinkel entlang Blatt, blattspitze bewegt sich schneller als Wurzel

Nabe: verbindet Blätter mit Hauptwelle, trägt Pitchantrieb

Pitchsystem: dreht jedes Blatt einzelnt um Längsachse

Antrieb: elektrisch oder hydraulisch

Aufgelöste Bauweise: hauptwelle doppelt gelagert, seperates Planetengetriebe, alle Komponenten enzeln zugänglich, Planetengetriebe bekommt nur reines Drehmoment keine Biegekräfte

Teilintegrierte Bauweise: Dreipunktlagerung- ein lager entfällt Getriebegehäuse übernimmt Abstutzung als dritter Punkt, aber auch Biegekräfte

Integrierte Bauweise: Welle, Lager und Stirnradgetriebe zu einer kompakten Einheit

Direct-Driver: kein Getriebe- Roter direkt auf Ringgenerator

Turm: stahlrohrturm oder Hybridturm ( beton unten, stahl oben)

-> zu beachten: Höhengewinnung, Lastableitung und Eigenfrequenzabstimmung

Azimutanantrieb: Zahnkranz zwischen Turmkopf und Gondel, Azimutbremse, hält Gondel an Position während betrieb, damit sie nicht nach dreht.

Ziel ist die Begrenzung auf Generatornennleistung bei Starkwind

Stall (passiv, veraltet): Blätter starr, aerodynamischer Strömungsabriss bei Starkwind durch Profilgeometrie (Bei zu starkem Wind reißt die Strömung aufgrund zu großen Anströmwinkel ab)

Pitch: (Aktiv, standard): Blätter Längsachse gedreht, Anströmwinkel sinkt sanft, sanftes ANfahren und präzises Abregeln, Vollastantrieb= Blatt nur leicht angestellt, Sturm= Blätter drehen auf 90°, Wind greift ins leere, sicherheit ohne mechanisches bremsen

Große leistungen 10MW

Agressives Umfeld: Salzwasser, Wellen, Stürme, Biofouling

Energieübertragung ans Festland

geringere Turbulenzen als Onshore, weniger Lastwechsel, günstig Lebensdauer von Blätter und Lager

hohe Wartungskosten

Maschinenhaus unter Überdruck mit gefilterter Luft (Korrosionsschutz),

Direct-Drive (weniger Wartung, kein Getriebeöl)

Errosionsschutz an Blattvorderkanten

Schadenserkennung per Sensorik vor Ausfall

• Problem: Parks oft 80-100km vom Festland entfernt​

• Hohe Verluste durch AC-Seekabel​

• Lösung:​ HGÜ (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung)– Konverterplatform wandelt AC in DC um (wirtschaftlich ab 50-80km)​

  Clusterbildung: Parks teilen sich Sammelkabel und Infrastruktur​

Kapazitive Verluste: seekabel wirken wie Kondensator, auf langen strecken fließt großteil strom nur zum laden/Entladen kabel, nicht ans land

• Diskoeffekt​

• Schattenwurf​

• Lärmbelästigung

• Lichtemission durch Hinderniskennzeichnung​

• Eisabwurfrisiko​

• Landschaftsbild​

• Beeinflussung des Mikroklimas​

• Vogelschutz​

• Meeresumwelt​