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AET (Fach) / Wind (Lektion)

VL 7

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  • Die Strahlungsbilanz der Sonne ist abhängig von zum Beispiel: • der geographischen Lage: 𝐼Ä𝑞𝑢𝑎𝑡𝑜𝑟 > 𝐼𝑃𝑜𝑙𝑒• der Wärmekapazität der Erdoberfläche• der Topografie (Höhe ↑ ⇒ Temperatur ↓)• der Erdrotation• dem Wetter (z. B. Luftfeuchtigkeit, Bewölkung etc.)⇒ Ungleichmäßige Einstrahlung⇒ Lufttemperaturgradienten⇒ Luftdruckgradienten⇒ Bewegung der LuftmassenDie Luftmassen werden zusätzlich durch Corioliskräfte (aufGrund der Erdrotation) abgelenkt
  • Was ist der maximale Betzfaktor und was beinhaltet dieser? Betzfaktor: 𝑐𝑝,𝑚𝑎𝑥 = 𝑐𝑝 𝑥 = 59,3% Der Betz-Faktor bestimmt die aerodynamischen Verluste des Systems
  • Wie ist die Schnelllaufzahl definiert? Definition der SchnelllaufzahlZur Klassifizierung der unterschiedlichen Rotoren wird u.a. die dimensionslose Schnelllaufzahl genutzt:λ =𝑢/𝑣1=2𝜋 ∙ 𝑅𝑅𝑜𝑡 ∙ 𝑛𝑅𝑜𝑡/𝑣1
  • Zeichne die Leistungsdichte von üblichen Windkraftanlagen in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit Wegen der Reibungsverluste ist bei 𝑣𝑊𝑖𝑛𝑑 < 𝑣𝐸 keineLeistungsabgabe möglich• Im Geschwindigkeitsbereich 𝑣𝑁 < 𝑣𝑊𝑖𝑛𝑑 < 𝑣𝐴 gibt der WEK einekonstante Leistung ab• Bei 𝑣𝑊𝑖𝑛𝑑 > 𝑣𝐴 wird der WEK ausgeschaltet
  • Nenne typische Windgeschwindigkeiten für Einschaltgeschwindigkeit, Nennwindgeschwindigkeit, Abschaltgeschwindigkeit, Maximale Windgeschwindigkeit Einschaltwindgeschwindigkeit 𝑣𝐸 2,5 - 4,5 [𝑚/𝑠]Nennwindgeschwindigkeit 𝑣𝑁 10 - 16 [𝑚/𝑠]Abschaltwindgeschwindigkeit 𝑣𝐴 20 - 30 [𝑚/𝑠]Maximale Windgeschwindigkeit 𝑣𝑚𝑎𝑥 50 - 70 [𝑚/𝑠](ohne Schäden/ Zerstörung)
  • Leite die maximale abziehbare Leistung des Windes her siehe Folien
  • Welche Formen der Regelung von Windkonvertern gibt es? Möglichkeiten zur Leistungsregelung sind:• Stallregelung (passiv): Bei Überschreitung der maximalzulässigen Windgeschwindigkeit reißt die Strömung ab⇒ Aus der laminaren Strömung wird eine turbulenteStrömung⇒ Leistung wird begrenzt• Pitchregelung (aktiv): Die Rotorblätter werden um denWinkel 𝛽 um ihre Profilachse aus dem Wind hinausgeschwenkt⇒ Leistung wird begrenzt⇒ zum Abschalten werden die Rotorblätter inFahnenposition gestellt
  • Zeichne ein umströmtes Blattprofil Folie 26
  • Was sind die wesentlichen Unterschiede von Auftriebskonvertern mit horizontaler Achse und der mit vertikaler Achse? Horizontalachsen haben einen hohen Wirkungsgrad, weisen optimale Materialausnutzung auf und sind aerodynamisch gut. Nachteile sind, dass der Rotor der Windrichtung nachgeführt werden muss und die Anlagen eine Sturmsicherung benötigen. Darrieus Motoren laufen erst bei 4-5 m/s an und müssen durch einen Motor/Generator angefahren werden. Sie sind jedoch stabiler und können in Bodennähe angeordnet werden.
  • VT/NT Anlagen mit horizontaler Achse Nachteile:• Wechsellast durch das Eigengewicht des Blattes⇒ Entscheidender Einfluss auf Lebensdauer• Windnachführung notwendig• Aktiv: Einsatz von Giermotoren• Passiv: Selbstständiger Nachlauf, WindfahnenVorteile:• Leistungsregelung und Drehzahlregelung möglich
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  • Anzahl der Blätter VT/NT Einblatt zu Zwei- oder Dreiblattrotoren Einblattrotoren:• Sehr unruhiger Lauf ⇒ starke Materialbeanspruchung• Kostengünstiger (wegen 1-Blatt)⇒ Derzeit wenige PrototypenZweiblattrotoren/ Dreiblattrotoren:• Leistungsbeiwert etwas größer als 1-Blatt-Rotoren• Ruhiger Lauf ⇒ Geringere Materialbeanspruchung• Wegen hohen Materialeinsatzes etwas teurer• Ästhetischer
  • Vertikale Achse - Darrieus Prinzip VT/NT Vorteile:• Unabhängig von der Windrichtung⇒ keine Nachführung notwendig• Schwere und wartungsanfällige Bauteile am Boden⇒ Einfache Beherrschung der Last und einfache Wartung• Einfache Rotorblätter (Strangpressprofile) Nachteile:• Läufer kann nicht eigenständig anlaufen, da es Stellungen gibt, indenen das Gesamtdrehmoment negativ ist• Auf einem Teil ihres Umlaufs werden die Blätter vom Wind nichtoptimal angeströmt ⇒ Energieerntefaktor kleiner als bei WEK mithorizontaler Achse
  • Wie ist der etwaige Wirkungsgrad von Windparks und wodurch entsteht dieser? n= 85-97% Der Wirkungsgrad liegt unter 100% da die WEK sich gegenseitig beeinflussen und so der gesamte Energieertrag reduziert wird.
  • Wodurch wird der Wirkungsgrad eines Windparks am stärksten beeinflusst? Abstände der WEK auf der Hauptachsen 
  • Was sind unangenehme Nebeneffekte von Windkraftanlagen die mit berücksichtigt werden müssen? Veränderung des Landschaftsbildes Schattenwurf Geräuschentwicklung Hoher Landverbrauch Evtl. Gondelbrand
  • Was sind wichtige Anhaltswerte für Nebeneffekte? Schattenwurf - Ergebnis der SimulationGesetzliche Obergrenzen:• Maximal 30 Minuten pro Kalendertag• Maximal 30 Stunden pro Kalenderjahr Vorausberechnung der SchallintensitätAnhaltswert:In einem reinen Wohngebiet sind nachts 35 dB(A) erlaubt Defekte WindkraftanlagenDefekte entstehen z.B durch:• Blitzschlag• Versagen der Regelung bzw. Bremsen⇒ Anlage überschreitet ihre maximale Drehzahl• Materialermüdung⇒ Materielle Schäden, Sicherheitsrisiko
  • Was sind zusätzliche Maßnahmen zur Verringerung der Kollisionsgefahr von Vögeln und Fledermäusen? Zusätzliche MaßnahmenMinderung des Kollisionsrisikos erreichbar durch: Flächige Windparkanordnung, nicht quer zur Zugrichtung Größere Anlagen (Minderung des Gesamtrisikos) Ggf. gezieltes Abschalten des WEK in Zeiten hoherVogel- und/oder FledermausaktivitätAber:Kürzlich erfolgte Regeländerung: Windenergieanlagendürfen innerhalb von offenen Waldflächen gebaut werden.
  • Sonstige einschränkende Bedingungen - Offshore • Sandaushebungsgebiete• Kommunikationskabel• Schifffahrtsrouten• Militärische Sperrgebiete• Meerestiefe• Beschaffenheit des Meeresbodens
  • Wie ist das Repowering definiert? Repowering bezeichnet das Ersetzen alter Energieerzeugungsanlagen durch neue, moderne, häufog leistungsfähigere bzw. effektivere Anlagen. -geringere Drehzahl -bessere Netzuntegration -Planungsfehler können verbessert werden -Anzahl der Anlagen kann reduziert werden
  • Wie funktioniert ein Aufwindkraftwerk? Sonnenstrahlung erwärmt Luft unter einem großen Glasdach auf ca. 35°C über der Umgebungstemperatur. Die Luft steigt auf und strömt durch einen Kamin, in dem sie eine Turbine antreibt. Das Einbringen eines Wasserkörpers als Speichermedium lässt das Aufwindkraftwerk rund um die Uhr arbeiten. (so über 7000h in Wüstenregionen) -großer Material und Flächenaufwand -geringer Wirkungsgrad (ca. 1.5%) -billige und leich erreichbare Materialien
  • Wie funktioniert ein Abwindkraftwerk? Benötigen im Gegensatz zum Aufwindkraftwerk keine Kollektorfläche In die Oberseite eines hohen Kamins wird Wasser eingesprüht. Das eingesprühte Wasser senkt die Temperatur der Luft innerhalb des Kamins. Die Luft fällt nach unten durch stromerzeugende Windräder.  ca. 1/3 des Stroms muss verwendet werden um das Wasser nach oben zu pumpen VT: Es entsteht entsalztes Wasser/Beregnung umliegender Landstriche (zB Wüstenregionen)

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