Historie
Beispiel für historische Nutzung von Wind
Boot (Aufbau der Kräfte)
Bockwindmühle
Bauformen historischer Windmühlen
(Vor- und Nachteile)
Wie hoch ist die nutzbare Energie aus dem Wind
16/27 = 0,593
Dänisches Konzept
Luv
ASG direkt am Netz
Drehzahl durch Netz (Variation durch Schlupf)
Stall
niedriger n
nicht an Windgeschwindigkeit anpassbar
keine LEK
robust
Schnelllaufzahl λ
λ = Blattspitzengeschw. / Windgeschw.
Topologie und typische Anwendungen von WEA
Wandlungsstrang - Dänische Anlage
Wandlungsstrang - Enercom-Konzept
(Drehzahlvariable Anlage mit Blattverstellung)
Strömungsmodell der Betzschen Impulstheorie + Erhaltungssätze + c_Betz und a
Kräfte am Blattelement / Kräfte am Rotorelement
Verlustformeln
Profilverluste:
Blattspitzenverluste / Tip-Verluste: -> Kompensation durch Winglet etc.
Drallverluste:
actio = reactio, Moment erzeugt ein Gegenmoment
Anwendungen von WEA
Komponenten von WEA
Schwingungsanregung und Schwingungsformen
Zirkulationsmodell und globale Zirkulation
Auswirkung der Corioliskraft
NHK - Tiefdruckgebiet
See-Landbrise
Berg-Tal-Zirkulation
Bodengrenzschicht (Turbolenzen)
Synchronmaschine - Merkmale
Synchronmaschine - Drehmomentenverlauf
Synchronmaschine - Betriebsarten
Asynchronmaschine - Arten
Asynchronmaschine - Wirkungsweise (Hochlauf)
Asynchronmaschine - Eigenschaften
Kloss’sche Kennlinie
Umwandlungsstrang einer WEA
Doppelgespeiste Asynchronmaschine (DASM) - Betriebsarten
Doppelgespeiste Asynchronmaschine (DASM) - Eigenschaften
Synchrongenerator
Vielpoliger Synchrongenerator (Ringgenerator)
Gegenüberstellung DASM, SYN, Ringgenerator
MOSFET vs. Bipolartransistor
Einsatzbereiche von Leistungshalbleitern
B6-Brückenschaltung + Spannungsbildung
Saugkreisfilter
Umrichterarten
Pulsumrichter Sinus-Dreieck-Vergleich
Pulsumrichter Strommessung mit Toleranzbereich
Direktumrichter
Netzrückwirkungen
Wirtschaftlichkeit - Kosten
Investitionskosten
Planung, Genehmigung, Gutachten, Fundament, Zuwegung, Netzanbindung, eigentliche WEA
entstehen hauptsächlich vor Inbetriebnahme
Betriebskosten
Wartung, Instandhaltung, Versicherung, Pacht, Strombezug, Verwaltung, Steuern etc.
insgesamt etwa 4–5 % der Investitionskosten pro Jahr
Ersatzinvestitionen
Austausch größerer Komponenten im Laufe der Lebensdauer
besonders relevant bei älteren Anlagen
Energiegestehungskosten
sämtliche abgezinsten Kosten bezogen auf erzeugte Energie
wichtig zum Vergleich verschiedener Anlagen/Standorte
Beispielsysteme - Abhängigkeit des Böschungswinkel α
Fundamente
Schwerkraftgründung
großes Beton-/Stahlfundament wird durch Eigengewicht gehalten
an Land gefertigt, abgesenkt und mit Sand/Kies beschwert
Monopile / Einpfahl
großes Stahlrohr wird in den Meeresboden gerammt
einfachstes Konzept; laut Vorlesung besonders wirtschaftlich bis ca. 20 m Wassertiefe
Tripod / Quadripod / Fachwerk
Last wird auf mehrere Beine bzw. Gitterstruktur verteilt
für größere Wassertiefen >20 m; über Pfähle bzw. Schwerkraftgründung verankert
Offshore vs. Onshore
Punkt
Onshore
Offshore
Wind
höhere Bodenrauigkeit, stärkere Turbulenzen
sehr geringe Rauigkeit, gleichmäßigerer Wind
Naben-/Turmhöhe
größere Höhe nötig, um günstigeren Wind zu erreichen
laut Vorlesung Turmhöhen bis etwa 0,75 × Rotordurchmesser
Belastung
mehr Turbulenzen
weniger Turbulenzen → tendenziell längere Lebensdauer
Fundament
klassische Gründung an Land
spezielle Gründung im Meeresboden
Installation
vergleichsweise leicht zugänglich
Schiffe, Kräne und Spezialgerät nötig
Netzanbindung
relativ kurze Landkabel
lange Seekabel, daher AC/DC-Frage besonders wichtig
Energieangebot
geringer
laut Folie enthalten Offshore-Winde etwa 50 % mehr Energie
→ HVAC: AC direkt, aber kapazitive/induktive Effekte im langen Seekabel
→ HVDC: AC → DC → AC, Converter nötig, dafür keine kapazitiven/induktiven Kabelverluste
Seaflow vs. Windenergie
Seaflow / Meeresströmungsanlage
Windenergieanlage
nutzt Meeresströmung
nutzt Windströmung
relativ konstante Leistungsabgabe
Leistung schwankt stärker mit dem Wind
ca. 4000 Volllaststunden/Jahr
in der Folie kein Vergleichswert angegeben
Anlagen können in einem Park enger zusammenstehen
größere Abstände zwischen Windrädern nötig
Rotoren können aus Metall gefertigt werden und sind dadurch laut Folie günstiger
große, vergleichsweise leichte Rotorblätter erforderlich
bei gleicher Leistung deutlich kleinere Abmessungen
deutlich größere Rotor- und Anlagenabmessungen
Blattelementetheorie
+ Flügeltiefe nach Betz und Schmitz
Teilabschnitte -> Leistungsbestimmung -> am Ende alles zusammen
Getriebe
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