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Übersicht über die regenerativen Energiequellen
Übersicht regenerative Energiequellen: regenerative Energiequellen lassen sich nach der Ursache einteilen, zum Isotopenzerfall im Inneren der Erde gehört die Geothermie, zur Strahlung aus dem
Weltraum gehören die meisten Energieformen wie Wind, Sonne, Wellen usw., zur Planetenbewegung gehört die Energie aus Gezeiten, andererseits lassen sich die Energiequellen in Energieformen
(thermische/elektrische/chemische) einteilen, natürlich kann Windenergie auch in Wärmeenergie umgewandelt werden, es gab sogar einen Anlagentyp, der genau das gemacht hat, aber das ist mit Verlusten
behaftet, daher sollte gewonnene Energie möglichst spät in die gewünschte Energieform umgewandelt werden
Was ist Wind?
Wind: Wind ist jede Luftbewegung relativ zum Erdboden, auf der Erde gibt es sowohl globale Austauschvorgänge großer Luftmassen als auch kleingliedrige,
räumliche, turbulente Wirbelfelder, die beiden Bewegungstypen liegen übereinander und sind durch eine große Grenzschicht voneinander getrennt, atmosphärische Luft ist Gemisch aus Gasen und
Wasser in allen drei Aggregatzuständen, Wärmeaufnahme/-abgabe verursacht oder verhindert Luftbewegung
globale Luftmassenbewegungen: jede Halbkugel der Erde unterteilt sich in fünf Zonen, polare Ostwinde, Westwinde, Rossbreiten, Nordost-/Südostpassat, Kalmenzone
antitriptische Winde: Land-/Seewinde und Berg-/Talwinde sind antitriptische Winde (durch Reibung entstehend), tagsüber heizt sich der Boden schneller auf als
das Meer, dadurch steigt die Luft über dem Boden auf und vom Meer strömt Luft nach (Seewind), weiter oben schließt sich der Kreislauf durch umgekehrte
Bewegung, nachts ist es andersherum (Meer kühlt langsamer ab als der Boden), daher Landwind, Berg-/Talwinde
entstehen auf ähnliche Weise
Windmessung
Beaufort-Skala: wurde 1806 erfunden, erst Anfang des 20. Jh. mit 12 Stufen eingeführt
Schalenkreuz-Anemometer: primitiver Windmesser mit drei Schalen und misst den Weg, den der Wind zurückgelegt hat, für die Geschwindigkeit muss man noch durch eine Zeitspanne teilen, moderne
Windmesser messen nicht nur den Wind, sondern klassifizieren ihn auch automatisch in einem Histogramm mit dem Anteil der Zeit über die Windgeschwindigkeit
Diagramme: in der globalen Windverteilung (Jahresmittel) ist der Wind an den Küsten und auf Bergen stärker (über 5 m/s im Jahresmittel), im Inneren von Kontinenten kaum Wind,
Isoventen sind Linien gleicher Windgeschwindigkeit, verschiedene Diagramme möglich (Jahresgang, Tagesgang, Windprofile über der Höhe)
Näherungsformel zur Berechnung der Windgeschwindigkeit in der Höhe:
\(\overline {v_H} = \overline {v_{10}} \cdot \left (\frac {H}{10}\right )^a\) in m/s mit \(\overline {v_{10}}\) der Windgeschwindigkeit in 10 m Höhe in m/s und \(H\) der Höhe in
m, \(a = \num {0.16}\) über dem Meer, \(a = \num {0.28}\) über dem Dorf, \(a = \num {0.4}\) über der Stadt
Windenergieanlagen: optimale Anlage für Baden-Württemberg hat eine Höhe von 140 m und Leistung eine von 4 MW, bei höheren Anlagen lohnt sich die
größere Leistung nicht wegen der höheren Kosten für den Bau und die Instandhaltung, bei doppelter Windstärke erbringen Windanlagen die achtfache Leistung
Theorie des Windes
Wind-Theorie: Wind lässt sich durch Lage- und Bewegungsdefinition von Luftteilchen erklären (DGLs), aber aufgrund der schieren Anzahl der Luftteilchen sehr kompliziert
Schnelllaufzahl: dimensionsloses Verhältnis \(\lambda = \frac {u}{v}\) von Umfangsgeschwindigkeit \(u\) des Rotors zur Windgeschwindigkeit \(v\), ist von der Drehzahl unabhängig, da
z. B. große Rotoren langsamer drehen müssen, um eine bestimmte Umfangsgeschwindigkeit zu erreichen
Leistungsbeiwert: auch Wirkungsgrad, \(c_P\) ist das Verhältnis aus genutzter Leistung zur nutzbaren Leistung des Winds, bei modernen Anlagen 0,45 bis 0,5
Betz-Limit: 1919 als Betzsches Gesetz formuliert, gibt den maximalen Leistungsbeiwert \(c_P\) an, den
eine Windkraftanlage erreichen kann, Herleitung: Windanlage als „Black Box“, bei der der Wind mit der Geschwindigkeit \(v_{\text {FFL}}\) eintritt und aus der der Wind mit der Geschwindigkeit \(v_{\text {DFW}}\) austritt,
bei einem Verhältnis von \(\frac {v_{\text {DNW}}}{v_{\text {FFL}}} = \frac {1}{3}\) ist der maximal mögliche Leistungsbeiwert \(c_P\) am größten, er beträgt dann \(c_P =
\frac {16}{27} \approx \SI {60}{\percent }\)
Leistung einer freifahrenden Turbine: \(P = c_P \cdot \frac {\rho }{2} \cdot v_{\text {FFL}}^3 \cdot A_\Phi \) mit \(c_P\) dem Leistungsbeiwert, \(\rho \) der Luftdichte, \(v_{\text {FFL}}\) der
Geschwindigkeit des einströmenden Winds und \(A_\Phi \) der Rotorfläche, Einfluss der Luftdichte wichtig für Anlagen in größerer Höche (kann sich von
1,2 kg/m3 auf 0,7 kg/m3 absenken) für höhere Leistung sind \(c_P, \rho , v_{\text {FFL}}\) kaum beeinflussbar, d. h. man muss die
Rotorfläche \(A_\Phi = \frac {\pi d^2}{4}\) vergrößern, für die doppelte Leistung muss man \(d\) nur um den Faktor \(\sqrt {2}\) vergrößern (d. h. um ca. 41 %
größerer Durchmesser)
Kennlinie: auch \(c_P\)-Kurve, gibt den Leistungsbeiwert \(c_P\) über die Schnelllaufzahl \(\lambda \) an, Maximum ist der Auslegungspunkt, bei schwankendem Wind schwankt immer auch die Leistung der
Anlage, sollte man vor dem Kauf einer Anlage genau anschauen
Rotorblätter
Anzahl der Blätter: mehr Blätter führen zwar zu höherem \(c_P\), aber bei Schnellläufer (\(\lambda \) zwischen \(5\) und \(8\)) ist der Einfluss so gering, dass die
Blattzahl unwichtig ist, Einfluss der Gleitzahl (Aerodynamik) ist viel wichtiger, bei Langsamläufer (\(\lambda \) zwischen \(1\) und \(3\)) ist es umgekehrt
Form der Rotorblätter: wählt man „Bretter“ als Rotorblätter, die innen gleich breit wie außen sind, dann ergibt sich ein Verlust von 8,1 %, aber innen müssen die
Blätter breiter sein, da dort die Umlaufgeschwindigkeit geringer ist, wenn man das berücksichtigt, kommt man auf Verluste von 1,5 % oder 0,2 %
Windmühlen: haben vier Flügel, zum einen, weil sie Langsamläufer sind (da sind mehr Blätter besser), zum anderen, weil das einfacher zu bauen war (durchgängige
Baumstämme), schlechter \(c_P\)-Wert von anfangs 0,2, da Blätter nur ebene Platten, durch die Verwendung von gewölbten Flügeln erreicht man Werte zwischen 0,3 und 0,35
Flügelform StGW: NACA-Profile, 30 % dick
Belastung von Flügeln: starke Durchbiegung bei Rotorblättern (mehrere Meter)
Herstellung von Rotorblättern
moderne Leichtbau-Fasern: Kevlar, Kohle, Glas
Torusflansch: fasergerechte Krafteinleitung
verschiedene Bauarten für kleine Anlagen bis 10 m Durchmesser:
Segeltuch-Tragfläche, Holz-Tragfläche, Blech-Bauweise, Honigwaben-Struktur, Schaum usw.
Growian-Rotorblatt: Probleme, weil sich unterschiedliche Materialen (Glasfaser und Stahl) nicht vertragen haben, haben zu Rissen in der Struktur geführt
moderne Blattherstellung: manuelles Hineinlegen von Faser-Tapes (in Harz getränkte Fasern) in eine Negativ-Form, zwei Teile mit verschiedenen anderen Teilen (\(\Omega \)-Holm) zusammensetzen, sonst hohl
Loch durch Fasern: durch Fasern dürfen nicht einfach Löcher gebohrt werden, dies ist keine fasergerechte Bauweise und macht das System instabil, z. B. gab es schon Unfälle aufgrund
Luftverwirbelungen hinter startenden Flugzeugen, stattdessen Fasern um das Loch herum leiten