Windenergie 1 - Kennlinien, Typologien, ...

22 May 2025, Po Wen Cheng

Literatur

buch1

978-3-322-99446-2 *Kapitel 2, 6, 7*

buch2

978-3-662-53154-9 *Kapitel 3, 4, 5*

Typologien

Prinzip der Wiederstandsnutzung: Fläche die quer zum Wind steht wird angeströmt Wiederstandskraft wird in Drehbewegung / Leistung gesandelt
Beispiel hierfür ist das Schalenkreizanemometer (Folie 10)

Auftriebsläufer: Horizontalachenanlagen

$$W = c_W \cdot \frac{\rho}{2} \cdot f \cdot v^2 \quad \rightarrow \quad P = \frac{\rho}{2} \cdot f \cdot v^3 \cdot c_p$$

Formel zu finden auf Folie 9

Beispiel am Schalenkreuzanemometer

unterschiedlicher Wiederstand der Schalen bewirkt Rotation
Scheinbare Windgeschwindigkeit auf Antriebsseite des Rotors

$$c = v - \Omega \cdot r = v - u = \text{windgeschw.} - \text{umfangsgeschw.}$$

Nur eine kleine Antriebskraft wird erzeugt
maximaler aerodynamischer Wirkungsgrad ca. $8 %$

Lee - Ausgerichtete Anlagen: Selbsterzeugtes Moment um die Anlage wieder in Windrichtung zu drehen - selbstjustierende Windenergieanlagen

Auftriebsläufer: Vertikalachanlagen

Keine Windnachführung nötig
Gewichtsverteilung ist günstiger, weil nicht der größte Teil der Masse oben gelegen ist - Maschinenteile sind unten gelegen

Aber:

Profil bewegt sich mit der Windgeschwindigkeit mit - geringere Effizienz, der Leistungsbeiwert $c_p$ einer Horizontalen Anlage kann nie erreicht werden
Varieierende Anströmung durch Rotation - mehr dynamik, Schwingung und mehr Ermüdung
Dennoch kann Wirkungsgrad von ca. $0,4$ erreicht werden

Leisungsbegrenzung und Leistungsregelung

Begrenzung von Leistung und Belastungen auf zulässige Betriebsbereiche - Stabiles Erreichen der Nennleitung der Anlage

bild1

Veränderung des Leistungsbeiwerts $c_p$ durch Änderung der Schnelllaufzahl $\lambda$

Auftriebs- und Wiederstandsbeiwert bei unterschiedlichen Anstellwinkeln

Stallregelung funktionierte bei größeren Anlagen nicht mehr gut aufgrund von Stallinduzierten Schwingungen und hohen Wiederstandsbeiwerten bei hohen Anstellwinkeln
Außerdem kann übermäßig hoher Rotorschub auftreten

Stall und Ablösung ist so komplex, dass die Nennleistung nicht sehr genau geregelt werden kann - es geht Leistung verloren

Mit active pitch control kann eine sauberere Leistungsregelung erreicht werden. Auch der maximale Rotorschub wird stark reduziert - besser für die Belastung der Anlage

Könnte ja mal in Klausur drankommen

Folie 32 Unterste Grafik: Wie könnte hier die Drehzahlkurvve aussehen?

Modellgesetze und Ähnlichkeitsregeln

kommt immer in Prüfung

Was passiert wenn wir eine Windenergieanlage hochskalieren

Annahmen:

Gleiches Anlagenkonzept, identische Schnellaufzahlen
Skalieren aller Abmessungen
Keine Reynoldseffekte
Nur stationäre Lasten
Mit der Drehzahl?
Leistung
Drehmoment
Masse
...

bild2

Modellgesetze und Ähnlichkeitsregeln Beispiele

weitere notiz vom prof.: über "catch the wind" startup nachlesen