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Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.1 SoSe14 Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen.

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Präsentation zum Thema: "Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.1 SoSe14 Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen."—  Präsentation transkript:

1 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.1 SoSe14 Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen Theorie von Betz Rankine-Froudsche-Strahltheorie Geschwindigkeitsdreiecke

2 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.2 SoSe14 Gesamtschule 9. Klasse Windenergieanlagen (auch Windkraftanlagen genannt) Grundlagen Geschichte der Windenergie Windenergieanlagen in Deutschland Wie funktioniert eine Windenergieanlage? Vor- und Nachteile Welche Anlagentypen gibt es? Exotische Bauformen Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

3 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.3 SoSe14 Grundlagen Umwandlung von Kinetischer Energie (Bewegungsenergie) zu elektrischer Energie (Strom) erneuerbare Energiequelle Kinetische Energie = Wind Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

4 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.4 SoSe14 Geschichte der Windenergie Windkraftanlagen entwickelten sich aus der Windmühlentechnik heraus Charles Francis Brush baute 1887/88 als allererster eine funktionierende Windenergieanlage In der 2. Hälfte des 19. Jahrhunderts verstärkten sich die Versuche mit Hilfe der Windenergie Strom zu erzeugen Windmühle Charles Francis Brush m Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

5 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.5 SoSe14 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

6 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.6 SoSe14 Windenergieanlagen in Deutschland: Jährlich werden in Deutschland ca GW h Strom durch Windkraft erzeugt ungefähr Windräder in Deutschland Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

7 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.7 SoSe14 Wie funktioniert eine Windenergieanlage? Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

8 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.8 SoSe14 Windgeschwindigkeit und Windrichtung Rotation Windgeschwindigkeit wird hinter Rotor kleiner - Richtung ändert sich! Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

9 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.9 SoSe14 Wind hinter der Anlage Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

10 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.10 SoSe14 Wind vor der Anlage und hinter der Anlage Der Wind wird abgebremst und in Spiralen umgelenkt! Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

11 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.11 SoSe14 Vor- und Nachteile Vorteile: 1.Es werden keine fossilen Brennstoffe verwendet. Dadurch wird die Umwelt nicht durch Abgase geschädigt (CO2). 2.Es wird nur erneuerbare Energie verwendet. Die Energieressourcen werden nicht verringert. 3.Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landzonen (Küste, Flachland, Gebirge) eingesetzt werden. 4.Schon nach kurzer Zeit sind die Kosten der Errichtung eines Windkraftrades wieder gedeckt. Ein Windrad kostet zwischen 1 und 1,2 Mio. pro Megawatt Nennleistung. 5.Wind gibt es auf der ganzen Welt, somit steht diese Energiequelle auch in Staaten ohne Rohstoffvorkommen zur Verfügung. Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

12 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.12 SoSe14 Nachteile: 1. Umweltverhältnisse: z.B. unregelmäßiger Schattenwurf, Lärmbelästigung, durch das Surren des Generators und der Rotorblätter. Außerdem wird das Landschaftsbild beeinflusst. Es werden pro Jahr ca Vögel durch Zusammenstoß mit Rotoren getötet, besonders Greifvögel. Dem gegenüber stehen aber ~ 10 Mio. getöteter Vögel im Straßenverkehr!!! 2. Aufgrund der Ungleichmäßigkeit des Windes kann der mit Windenergieanlagen gewonnene Strom nur in Verbund mit anderen Energiequellen zur dauerhaften Energiebereitstellung genutzt werden. 3. Der Nutzungsgrad von Windrädern beträgt nur etwa 30% der verfügbaren Energie. Die Verluste entstehen bei dem Rotor (ca. 60%), Getriebe (ca. 4%) und Generator (ca. 7%). Durch ständige technische Verbesserungen wird sich der Grad der gewonnenen Nutzungsenergie jedoch erhöhen. Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

13 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.13 SoSe14 Welche Anlagentypen gibt es? Horizontalläufer Vertikalläufer Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

14 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.14 SoSe14 Horizontalläufer Vertikalläufer klassisch Vorteil: Windrichtung egal Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

15 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.15 SoSe14 Exotische Anlagen … Nasenpiercing lässt Diode leuchten! Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

16 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.16 SoSe14 Walze: Spirale: Tonne: krumme Flügel:

17 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.17 SoSe14 Frage zu seltenen Erden:

18 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.18 SoSe14 Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk Der elektrische Strom gelangt über die Halteleinen zum Boden!

19 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.19 SoSe14 Bahrain: Erste Windkraftanlagen in Gebäude integriert 240 Meter hohe Türme, 50 Stockwerke elliptisch geformte Türme sollen die Windgeschwindigkeit im Zwischenraum erhöhen (Windkonzentrator) Windkraftanlagen 29 m von der dänischen Firma Norwin sollen 12 Stunden am Tag laufen und bis zu 15 Prozent der Gesamtenergie des Gebäudes erzeugen drei Windkraftanlagen mit einer Leistung von je 46 kW in einer Höhe von 60, 98 und 136 m, n=38 U/min

20 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.20 SoSe14 Literaturhinweise und Internetlinks Gasch, Twele: Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, Teubner-Verlag ftp://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/windpower_dk/ Hersteller:

21 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.21 SoSe14 Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

22 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.22 SoSe14 Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

23 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.23 SoSe14 Aufwindkraftwerk in Manzanares Spanien, Turmhöhe 200m, Turm Ø 10 m, Kollektordach Ø 250 m, Leistung 50 kW, aus Hau, Windkraftanlagen Gebaut 1982 – Einsturz durch Orkan 1989

24 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.24 SoSe14

25 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.25 SoSe14 Darrieus-Windkraftanlage, Ø 19 m, 170 kW, Firma Flowind USA Darrieus-Windkraftanlage (H-Rotor), Ø 35 m, 300 kW, USA Quelle: Hau, Windkraftanlagen patec/vertikale-drei-blatt- kleinwindkraftanlagen-darrieus- rotor html … Installation auf Hausdach …

26 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.26 SoSe14 Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit Flettner-Rotor als Segelantrieb, Quelle: Greenpeace.

27 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.27 SoSe14 Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt

28 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.28 SoSe14 Hong Kong: 40 Turbinen mit in der Summe 960 W bei 5,5 m/s Windgeschwindigkeit November 2006

29 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.29 SoSe14 Buch der Synergie – exotische Designs

30 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.30 SoSe14 Buch der Synergie – exotische Designs

31 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.31 SoSe14 Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000.

32 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.32 SoSe kW Wellenkraftwerk, Kvaerner Brug A.S., Oslo (1985), mit Wells-Turbine, die unabhängig von der Durchströmungsrichtung in die selbe Richtung rotiert. (Quelle: VDI 1985) oder

33 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.33 SoSe14 Leistungsberechnung einer WKA (siehe auch Schade/Kunz/Paschereit/Kameier Strömungslehre, LE 6.5) Freistrahlturbine

34 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.34 SoSe14 Leistung einer Strömungsmaschine mit und - mittlere Geschwindigkeit vor und hinter dem Rotor zentraler Gedanke von Rankine und Froude 1865/1889

35 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.35 SoSe14 Maximum der Leistung

36 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.36 SoSe14 Minimum für P gesuchtes Maximum Leistung der Windkraftanlage

37 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.37 SoSe14 Die Leistung der Windkraftanlage steigt mit der dritten Potenz. mit oder Eine Windkraftanlage kann theoretisch maximal 60 % der vorhandenen Windenergie nutzen.

38 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.38 SoSe14 Geschwindigkeitsdreiecke einer Windkraftanlage Die Skizze geht aus von den Beträgen der Geschwindigkeiten im Absolutsystem.

39 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.39 SoSe14 Es folgt die Festlegung der An- und Abströmrichtungen.

40 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.40 SoSe14 Die Umfangsgeschwindigkeit und eine drallfreie Anströmung werden eingezeichnet.

41 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.41 SoSe14 Das Schaufelprofil wird gemäß An- und Abströmung konstruiert, der Drall am Austritt ist negativ. Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.

42 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.42 SoSe14 Negativer Drall! Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt. c 2u

43 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.43 SoSe14 Die vom Rotor erfasste Stromröhre hat gemäß der Kontinuitätsgleichung stromauf des Rotors einen kleineren Querschnitt als stromab des Rotors: Bild aus: Spurk, Aufgaben zur Strömungslehre, 1996.

44 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.44 SoSe14 Wie weit stromauf einer Anlage macht sich die Stromröhrenaufweitung bemerkbar? Bild aus:

45 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.45 SoSe14

46 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.46 SoSe14 Aufbau einer Gondel - mit Getriebe Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V.

47 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.47 SoSe14 Aufbau einer Gondel – ohne Getriebe Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V.

48 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.48 SoSe14 WKA ohne Getriebe Quelle:

49 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.49 SoSe14 Die Technik Mal mehr Energieertrag seit 1980 Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V.

50 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.50 SoSe14 Die gegenwärtig größten Windenergieanlagen der Welt. Enercon E-112Repower 5MMultibrid M5000 Nennleistung4,5 MW5 MW Nabenhöhe112 Meter120 Meter102,6 Meter Rotordurchmesser114 Meter126 Meter116 Meter Standorte5 Anlagen (Emden, Wilhelmshaven, etc.) 1 Anlagen (Brunsbüttel) 1 Anlagen (Bremerhaven) Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V.

51 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.51 SoSe14 Kleine Windenergieanlage für das Testfeld der FH Düsseldorf (Neubau Derendorf) 350 Watt 1,22 m Einschaltgeschwindigkeit 3,5 m/s (=12,6 km/h) typische Masthöhe 6 m

52 Frank Kameier - Strömungstechnik II Folie VL4/ Nr.52 SoSe14 Vortex Hydro Energy (Michael Bernitsas, April 2010)


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