Wie hoch ist die instalierte Nennleistung in Deutschland von WKA und der ungefähre Strombedarf?
66000 MW installierte Leistung bei einem Bedarf von 574 Mrd. kWh 2022
An welcher Stelle steht die Windkraft als Stromerzeuger in Deutschland mit wie viel Prozent?
An zweiter Stelle mit 17,4%
Wie wird sich der Ausbau von WKA in Dt und der Welt entwickeln?
Der Ausbau wird stark steigen, um die gesetzten Klimaziele erreichen zu können
Bennen sie 4 Hauptkomponenten einer WKA
• Turm (Stahl+Beton)
• Rotorblätter(GFK o. CFK)
• Blattwinkelverstellung
• Not-Bremssystem
• Azimathdrehkranz(Windnachführung)-Getriebe
• Getriebe
• Generator
• Maschinenhaus
Wie lassen sich WKA klassifizieren?
· • Rotorlage (vertikal/horizontal)
· • Prinzip der Leistungsumsetzung (Widerstands-/Auftriebsläufer)
· • Schnell- o. Langsamläufer
· • Leistung (klein, On-Shore, Off-Shore)
beschreiben Sie in Worten wie sich der Betz-Faktor ergibt, was er beschreibt, welchen Wert er annimmt
Der Betzfaktor liegt bei 16/27 und drückt die Prozentuale Menge an Energie aus, die dem Wind maximal entzogen und umgewandelt werden kann.
Welche Verluste führen von der Windleistung zur Leistung der WKA?
· • Getriebeverluste
· • hydraulische Verluste
· • mechanische Verluste
· • Überströmverluste
· • Elektrische Verluste
Welcher Rotor hat die höheren Leistungsbeiwerte, Widerstands- oder Auftriebsläufer und warum?
• Widerstandsläufer: cp<0,25 geringe Schnelllaufzahl
• Auftriebsläufer: cp<0,45 hohe Schelllaufzahl
Zeichnen sie die Anströmung des Rotors anhand der Unfangsgeschwindigkeit und Windgeschwindigkeit
Welche Anforderungen hat ein Rotor zu erfüllen?
· • Umwandlung von Windströmungsenergie in mech. Energie
· • Umsetzung des schwankenden Energieangebots in ein gleichförmiges Drehmoment
· • Regelbarkeit der WKA
· • Geringe Geräuschbelastung
Warum ist das Rotorblatt WKA verwunden und an welcher Position ist das Rotorblatt am wenigsten verwunden?
Für einen konstanten Anstellwinkel muss das Rotorblatt verwunden sein oder das Rotorblatt wird unter Berücksichtigung von Drallverlusten ausgelegt
In Nabennähe sollte die Verdrehung am größten sein, ist sie aber auf Grund von Fertigungseinschränkungen meistens nicht, an der Spitze ist die Verdrehung am kleinsten
Zeichnen Sie ein typisches Polardiagramm
Warum ist eine maximale Gleitzahl wichtig für die Wahl des Rotorblatts?
Für Anstellwinkel Alpha
Wie ist die Schnelllaufzahl definiert und warum ist sie eine wichtige Größe bei WKAs?
mit u(R): Umfangsgeschwindigkeit an der Spitze des Rotorblatts
c0: Windgeschwindigkei
• beeinflusst Regelkonzept und Betriebsverhalten und dient zur Vorauslegung des Rotorblatts
• mit höherer Schnelllaufzahl verringert sich die Rotorblattverwindung
• höhere Schnelllaufzahl führt zu:
- reduziertem Drehmoment
- reduzierter Blatttiefe
- reduziert sich die optimale Anzahl von Rotorblättern
- sinkt Baumaß und Materialaufwand
- erhöht sich die Geräuschentwicklung
- erhöhte flächenbezogene Lasten—> hochfeste Materialien —> höhere Materialkosten
- schmale Profile erschweren Regelung
Wieviele Rotorblätter haben WKAs typischerweise und warum? Was spricht für mehr, was für weniger?
• Es werden typischerweise WKAs mit drei Rotorblättern gebaut.
• Theoretisch steigt die Leistungsbeiwert mit steigender Blattzahl
• in der Praxis kommt es bei hohen Blattzahlen zu gegenseitiger beeinflussung der Strömung
• bei geringer unsymmetrischer Zahl steigen die dynamischen Lasten
• mit steigender Blattzahl, steigen auch die Baukosten
Wie gehen sie bei der Vorauslegung des Rotorblatts vor?
1. Festlegung der Nennleistung bei Nenngeschwindigkeit, Schnelllaufzahl und und Anzahl Rotorblätter
2. Auswahl Pr/ofil und Anstellwinkel
3. Berechnung der Blattbreite für jeden Radius
4. Berechnung des Blatteinstellwinkels:
5. Berechnung der Leistung pro Blattelement und Integration
6. Berechnung des Rotorleistungsbeiwerts: cp,Motor
Zeichnen Sie den typischen verlauf des Leitungsbeiwerts über der Schnelllaufzahl und zeichnen Sie bzw. tragen Sie den Effekt der pitch- und stall-Regelung ein
Wie funktioniert die pitch- bzw. stall-Regelung, warum wird sie benötigt und welche würden Sie nutzen?
pitch: Anstellwinkel wird verringert, es reduziert die Auftriebskraft und die Leistung
stall: Vergrößerung des Anstellwinkels, es kommt zum Strömungsabriss
Dienen zum regeln:
• kann bei hohen Windgeschwindigkeiten Überlastung des Generators verhindern
• wird zum stabilisieren der Rotordrehzahl genutzt
• verhindert überdrehen bei Netzausfall
Es wird überwiegend die Pitch-Regelung eingesetzt, da hier eine konstante Leistung abgerufen werden kann bei steigender Windgeschwindikeit
Welche Möglichkeiten zur Blattoptimierung gibt es?
• Vortex-Generatoren: -längeres anliegen der Strömung
- größere Anstellwinkel ohne stall möglich
• Stall-Strips: - früherer Stall um Nennleistung zu verringern
• Hinterkantenklappen: Regelung der Motorleistung
• Gezackte Hinterkante: weniger Geräusche
• Optimierung der Blattspitze
Mit welcher Drehzahl dreht ein Synchronmotor?
• Drehzahl abhängig von Netzfrequenz (60hz in D/50hz in USA) und Polpaarzahl des Generators
Wie groß darf die Drehzahlvariabilität des Asynchrongenerators maximal sein?
Maximal 10%
Welche Varianten der Netzkopplung kennen Sie, was ist die Konsequenz für die Generatordrehzahl?
• direkte Netzkupplung mit Synchron- und Asynchrongeneratoren
—> Generator muss auf Frequenz des Netzes laufen
• netzeinspeisung über Zwischenkreis, Wechselrichter und Leistungslektronik
—> es ist ein Drehzahlvariabler Betrieb möglich
Welche Vorteile bietet die Drehzahlregelung?
• Dämpfung der Leistungsschwankung
• Reduktion der Strukturbelastung
• Schnelle, Stufenlose Anpassung des Betriebsverhaltens
Welche Anwendungsbeispiele gibt es für die WKA-Insellösungen
• Container
• Warnbojen/Tonnen
• Leuchttürme
• An Berghütten
Was sind die Hauptkomponenten der WKA-Insellösung?
• Windturbine
• Gleichrichter
• Laderegler
• Batterie
• evtl. Wechselrichter für Hausstrom
• Heizwiderstand z.T. im Generator verbaut
Welche Speicherkonzepte von WKA sind möglich?
• Schwungratspeicherung
• Batteriespeicher
• Wasserstoff Herstellung über Elektrolyse
• Pumpspeicher
• Wasserspeicher im Turm
Bennen Sie verschiedene Anlagenkonzepte und mit Regelverhalten und bennen Sie Vor- und Nachteile
• dänisches Konzept: gutes Teillastverhalten, schlechter Wirkungsgrad
• Doppelgespeister ASG und SG haben hohe Wirkungsgrade, SG benötigt große, vielpolige Generatoren, ASG beide benötigen mehr extra Stromrichter und Zwischenstronkreise
Warum ist es wichtig die Windverhätnisse am Standort der WKA zu kennen?
• Um eine Aussage über den möglichen Ertrag treffen zu können
• Um Sicher zustellen, dass sie den Windstärken widerstehen kann
Wodurch können sich lokale Windverhältnisse ergeben?
• Ausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten
• See-Land-Wind
• Berg-Tal-Wind
• Fallwinde
Welche Faktoren beeinflussen die lokalen Windverhältnisse, bzw. die Änderung der Windgeschwindigkeiten mit der Höhe?
• Oberflächenrauigkeit
• Schichtungsart
• Hügel
• Wälder
• Gebäude
Wie ändert sich die Windgeschwindigkeit mit der Höhe, was ist die Konsequenz für die Nabenhöhe?
• die Windgeschwindigkeit steigt mit der Höhe an
• Nie Nabenhöhe sollte deshalb so hoch wie möglich gewählt werden
Zeichnen Sie qualitativ die möglichen Strömungsverhältnisse nach einem Hügel, Hindernis
Was beschreibt die Weibull- oder Rayleigh-Verteilung? Wann verwendet man die Rayleigh-Verteilung?
• Beschreiben die Häufigkeitsverteilung verschiedener Windgeschwindigkeiten an einem Standort
• die Rayleigh-Verteilung wird genutzt wenn nur die mittlere Geschwindigkeit bekannt ist
• die Rayleigh-Verteilung entspricht der Weibull-Verteilung mit dem Faktor k=2
• Wen ein Faktor von deutlich unterschiedlich von 2 vorherrscht, weichen die Ergebnisse sehr stark ab
Welche Möglichkeiten zur Prognose von Windverhältnissen gibt es an potentiellen Standorten gibt es? Bewerten Sie die Methoden nach Aufwand, Genauigkeit und Umsetzbarkeit.
• Prognose über Windatlas
- schnell und günstig, gut umsetzbar, jedoch nur bedingt genau, da viel mit Modellen gearbeitet wird
• Windmessung
- aufwendig, da über min 10 Jahre wenn einzeln, kann über ein Jahr als Zusatz für den Windatlas genutzt, weniger Aufwand, Kosten steigen je nach Messmethode, im allgemeinen aber im Rahmen, umsetzung bei kurzen Zeitraum gut, bei längerem Zeitraum schwieriger
• Mesoskalen Modelle
- teuer und benötigt spezielle Software, genauer als Windatlas, immer noch relativ ungenau
Welche Materialien werden bei Rotorblättern überwiegend verwendet und warum?
Überwiegend wird GFK (gute spez. Materialwerte und günstig) z.T. mit lokalen CFK-Verstärkungen verwendet.
CFK MUSS für D_Rotor>120m als lokale Verstärkung/Versteifung verwendet werden
Als Matrix Epoxidharz (bessere material- & Schrumpfeigenschaften als Polyesterharz)
Potentiell Stahl bei großen Wandstärken
Alu (bei maschineller Fertigung und hohen Stückzahlen)
Mit welchem Verfahren erfolgt i.d.R. die Fertigung der Rotoren?
Laminieren
Benötigen WKA einen Blitzschutz und wo ist er verbaut?
Trotz Verwendung von GFK ist bei aktuellen Anlagen ein Blitzschutz verbaut
Ein Draht verbindet den rezeptor mit dem Rotor, der an die Erdung angeschlossen ist.
Wie kann die Beheizung der Rotoren umgesetzt werden und warum wird sie benötigt?
Gebläseunterstütze Enteisung mit der Abwärme aus dem Maschinenhaus oder Heizwiderständen in den Rotorblättern
Ertragssteigerung durch Enteisung, Heizelemente benötigen elektrische Energie im Bereich von wenigen Prozent
Nennen Sie einige Lasten die auf die Rotoren von WKA wirken und klassifizieren Sie diese in statische, schwellende, wechselnde stochastische Lasten.
Statische Lasten:
Deformation aufgrund der Rotation
Deformation aufgrund stetiger aerodynamischer Lasten
Schwellende Lasten:
Örtlich variiernde Geschwindigkeitsverteilung über die Rotation
Turmstau/-schatten
Wechselnde Lasten:
Gewichtskräfte
Rotorschräganströmung
Stochastische Lasten:
Windverhältnisse in der Anströmung
Sturm, Böen und Wellengang bei off-shore Anlagen
Welche Größenordnung hat die Lastwechselzahl von WKA über der Lebensdauer von 20 Jahren und durch welche Lasten entsteht die hohe Lastwechselzahl?
Lastwechselzahl: 500 Millionen bis 1 Milliarde
Schlagbiegemoment: Aufgrund Windkräfte
Schwenkbiegemoment: aufgrund Rotormasse
Welche Reihenfolge der Komponenten Rotor, Generator, Turm, Getriebe schlagen Sie vor und warum?
Reihenfolge von Rotor ausgehend:
Rotor
Getriebe
Generator
Turm
=> Rotor als erstes zur Energieumwandlung, als nächstes Getriebe zur Übersetzung für den Generator, dann der Turm um Gewicht des Aufbaus auszugleichen, zuletzt Generator um ein Ausgleichsgewicht zum Rotor zu erzeugen.
Warum verwenden WKA im MW-Bereich meist ein Getriebe? Was wäre die alternative kommerziell verfügbare Lösung? Was sind die Vor- und Nachteile?
Aus Gewichts- und Kostengründen
Getriebelose Bauart
Vorteile Getriebelos: Wartungsarmer, Keine Schalldämmung des Getriebes notwendig
Nachteile: Teurer, schwerer
Wie wird die Blattverstellung konstruktiv umgesetzt?
Kleine Anlagen: Fliehkraft-Verstellsystem oder Hydraulik-Verstellsystem
Große Anlagen: Elektrische Antriebe über verzahntes Wälzlager
Wie wird die Windnachführung bei kleinen- und großen WKA umgesetz?
Kleine WKA: Windfahne
Große WKA: hydraulische oder elektrische AZimuthal-Stellantriebe
Wie ist das prinzipielle Vorgehen nach der Methode des Europäischen Windatlas?
· Sammeln von Messdaten in der Nähe von dem potenziellen Standort bereinigt von Einflüssen wie Hindernisse, Rauigkeit, Höhe, …
· Überführung der bereinigten Windverhältnisse in die lokalen Gegebenheiten des Standorts anhand von Modellen
· Übertragung der Messdaten von Punkt A auf Standort B
· Weibull Verteilung ist auch Ergebnis dieses Berechnungsverfahren
Welche Umwelteinflüsse können den Ertrag von WKA beeinflussen?
· Turbolenzgrad der Strömung
· Verschmutzung durch Staub, Sand und Insekten → erhöhte Rauigkeit
Was entscheidet bei einem Standort die Wahl der Windkraftanlage hinsichtlich Ihrer Nennleistung?
· Wirtschaftlichkeit
· Windbedingungen (durchschnittliche Windgeschwindigkeit)
· Gesetzliche und regulatorische Beschränkungen
Wodurch entstehen durch Windkraftanlagen Beeinträchtigung oder Sicherheitsrisiken für Mensch und Natur?
· Sicherheitsrisiko (Rotorblattbruch, Beeinflussung Flugverkehr)
· Vogelschlag
· Störung & Beeinträchtigung von Anwohnern
· Schallemission
· Störung Fernsehen & Radio
· Schattenwurf
· Störung & Beeinträchtigung von Messeinrichtung
· Erdbebenmessstation
· Seismografen
· CO2 Emission und Energieeinsatz
Wie schätzen Sie das Sicherheitsrisiko für Menschen durch einen Rotorblattbruch ein?
Potenzielle Gefahr existiert besonders dann, wenn Menschen in der Nähe der Anlage sind.
Durch Sicherheitsabstände, regelmäßige Wartungen und strenge Standards für Materialien und Konstruktion werden Personen und Eigentum geschützt.
Welchen Schallleistungspegel in dB-A weisen Multi-MW WKA auf?
105 dB(A) bei maximaler Leistung
Wo bei WKA entstehen überwiegend die Geräuschemissionen?
Am Rotor durch Rotorumströmung
Welche Möglichkeiten der Schallemissionsreduktion bei WKA gibt es und was wären die Konsequenzen?
· Drehzahl variabler Betrieb ermöglicht schallreduzierten Betrieb
· Ertrag der WKA wird verringert
Ist der Schallleistungspegel von WKA eine wichtige Kenngröße?
Der Schalleistungspegel beschreibt den Schallpegel direkt an der Quelle. Durch ausreichend Abstand zu Wohngebieten kann er vernachlässigt werden.
Warum muss der Schattenwurf von WKA berücksichtigt werden?
· Lichtschwankungen entstehen welche störend für Menschen sind
· Gesundheitliche Auswirkungen durch periodischen Schattenwurf
· Kopfschmerzen
· Visuelle Einschränkungen
Wie schätzen Sie die Schadstoffe, vor allem die CO2 Emissionen von WKA über ihren Lebensweg, im Vergleich zu weiteren Kraftanlagen ein?
· WKA haben die niedrigsten CO2 Emissionen
· 4-13 g CO2 pro erzeugte kWh
Berechnung der Schenlllaufzahl
Restliche simple Formeln
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