Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen

Präsentation zum Thema: "Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen"—  Präsentation transkript:

1 Frank Kameier Strömungstechnik II 4. Vorlesung Windenergieanlagen
Theorie von Betz Rankine-Froudsche-Strahltheorie Geschwindigkeitsdreiecke

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

3 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Grundlagen Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Umwandlung von Kinetischer Energie (Bewegungsenergie) zu elektrischer Energie (Strom) erneuerbare Energiequelle Kinetische Energie = Wind

4 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 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Windmühle Charles Francis Brush

5 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

6 Windenergieanlagen in Deutschland:
Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Jährlich werden in Deutschland ca GW h Strom durch Windkraft erzeugt ungefähr Windräder in Deutschland

7 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Wie funktioniert eine Windenergieanlage? Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

8 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Windgeschwindigkeit wird hinter Rotor kleiner - Richtung ändert sich! Rotation Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Windgeschwindigkeit und Windrichtung

9 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Wind hinter der Anlage Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium

10 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Wind vor der Anlage und hinter der Anlage Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Der Wind wird abgebremst und in Spiralen umgelenkt!

11 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Vor- und Nachteile Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Vorteile: Es werden keine fossilen Brennstoffe verwendet. Dadurch wird die Umwelt nicht durch Abgase geschädigt (CO2). Es wird nur erneuerbare Energie verwendet. Die Energieressourcen werden nicht verringert. Windenergieanlagen können in allen Klimazonen, auf See und in allen Landzonen (Küste, Flachland, Gebirge) eingesetzt werden. 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. Wind gibt es auf der ganzen Welt, somit steht diese Energiequelle auch in Staaten ohne Rohstoffvorkommen zur Verfügung.

12 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
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 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Welche Anlagentypen gibt es? Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium Vertikalläufer Horizontalläufer

14 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
klassisch Horizontalläufer Vertikalläufer Vorteil: Windrichtung egal

15 Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium
Exotische Anlagen Zu niedriges Niveau für Hochschulstudium … Nasenpiercing lässt Diode leuchten!

16 Walze: krumme Flügel: Tonne: Spirale:

17 Frage zu „seltenen Erden“:

18 Fliegendes Kleinwindenergiekraftwerk
Der elektrische Strom gelangt über die Halteleinen zum Boden!

19 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 Literaturhinweise und Internetlinks
Gasch, Twele: Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, Teubner-Verlag 2005 ftp://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/windpower_dk/ Hersteller:

21 Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

22 Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse,
Windkraftanlagen – Rotoren mit vertikaler Drehachse, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

23 keine hohe Effizienz Gebaut 1982 – Einsturz durch Orkan 1989 Aufwindkraftwerk in Manzanares Spanien, Turmhöhe 200m, Turm Ø 10 m, Kollektordach Ø 250 m, Leistung 50 kW, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

24

25 … Installation auf Hausdach …
Darrieus-Windkraftanlage (H-Rotor), Ø 35 m, 300 kW, USA Darrieus-Windkraftanlage, Ø 19 m, 170 kW, Firma Flowind USA Quelle: Hau, Windkraftanlagen 1997.

26 Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit
Forschungsschiff Alcyone (Jacques-Yves Cousteau 1985) mit Flettner-Rotor als Segelantrieb, Quelle: Greenpeace.

27 Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger
Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt

28 Hong Kong: 40 Turbinen mit in der Summe 960 W bei 5,5 m/s Windgeschwindigkeit
November 2006

29 Buch der Synergie – exotische Designs

30 Buch der Synergie – exotische Designs

31 in der Nordsee umgesetzt - möglicherweise für Rhein geeignet -
Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000.

32 400 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 Leistungsberechnung einer WKA
(siehe auch Schade/Kunz/Paschereit/Kameier Strömungslehre, LE 6.5) Freistrahlturbine

34 Leistung einer Strömungsmaschine
und mit - mittlere Geschwindigkeit vor und hinter dem Rotor zentraler Gedanke von Rankine und Froude 1865/1889

35 Maximum der Leistung

36 Minimum für P gesuchtes Maximum Leistung der Windkraftanlage

37 Die Leistung der Windkraftanlage steigt mit der dritten Potenz.
oder Eine Windkraftanlage kann theoretisch maximal 60 % der vorhandenen Windenergie nutzen.

38 Geschwindigkeitsdreiecke einer Windkraftanlage
Die Skizze geht aus von den Beträgen der Geschwindigkeiten im Absolutsystem.

39 Es folgt die Festlegung der An- und Abströmrichtungen.

40 Die Umfangsgeschwindigkeit und eine drallfreie Anströmung werden eingezeichnet.

41 Das Schaufelprofil wird gemäß An- und Abströmung konstruiert, der Drall am Austritt ist negativ.
Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.

42 c2u Negativer Drall! Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.

43 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 Wie weit stromauf einer Anlage macht sich die Stromröhrenaufweitung bemerkbar?
Bild aus:

45

46 Aufbau einer Gondel - mit Getriebe
Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V

47 Aufbau einer Gondel – ohne Getriebe
Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V

48 WKA ohne Getriebe Quelle:

49 Die Technik - 500 Mal mehr Energieertrag seit 1980
Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V

50 Die gegenwärtig größten Windenergieanlagen der Welt.
Enercon E-112 Repower 5M Multibrid M5000 Nennleistung 4,5 MW 5 MW Nabenhöhe 112 Meter 120 Meter 102,6 Meter Rotordurchmesser 114 Meter 126 Meter 116 Meter Standorte 5 Anlagen (Emden, Wilhelmshaven, etc.) 1 Anlagen (Brunsbüttel) (Bremerhaven) Quelle: Bundesverband WindEnergie e.V

51 Einschaltgeschwindigkeit 3,5 m/s (=12,6 km/h)
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 FH Düsseldorf verfolgt eigene
Vortex Hydro Energy (Michael Bernitsas, April 2010) FH Düsseldorf verfolgt eigene Idee - z.B. für Rhein