Prüfungsvorbereitung Windenergie

Prüfungsvorbereitung Windenergie
Wind: Entstehung, Beschreibung, Messung
Was ist Wind?
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Ausgleichsströmung der Luftmassen
Durch Feuchte- und Temperaturänderungen verursacht
Bekannte Windsysteme
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Global: Passat, Monsum
Lokal: Berg-Tal-Winde (Föhn -> warmer
Fallwind), Land-See-Winde, katabische Winde
(kalte Fallwinde; z.B. Bora in Montenegro)
Tatsächliche in Bodennähe
„ankommender“ Wind wird vor allem durch
Kleinstrukturen (Orographie) beeinflusst
Windgeschwindigkeitsmessung
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Wind wird durch Richtung und Geschwindigkeit beschrieben
Messung durch:
 Schalenkreuzanemometer
 Hitzdrahtanemometer
 Ultraschall-Anemometer
Winddaten (zur Planung)
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Quellen können sein: deutscher Wetterdienst, Windatlas Europa,
deutsches Windenergie Institut
Windgeschwindigkeit in 10 und 25m Höhe gemessen und als 10 min.
Mittelwert angegeben
Ertragsprognosen durch Software (z.B. WASP -> WIND ATLAS
ANALYSIS AND APPLICATION PROGRAMM)
oder durch Windhistogramme (WEIBULLVerteilung)
Physik der Windenergienutzung
Annahmen nach Betz
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Verlustlose Leistungsentnahme durch Verzögerung
der strömenden Luftmassen
Die Energieumwandlung findet in einer ebenen
Fläche statt
Weit vor der Ebene herrscht Windgeschwindigkeit v1,
dazwischen v2 und weit dahinter v3
Annahme einer Stromröhre, die sich aufgrund von Kontinuitätsgründen aufweiten muss
Druckänderungen klein -> Dichte nahezu konstant
Betrachtung der Geschwindigkeiten
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V1=v2 -> keine Abbremsung, keine Leistungsentnahme
V3=0 -> vollständige Abbremsung, KEINE Leistungsentnahme
(nach Kontinuitätsgleichung)
Annahme: V2=(v1+v3)/2
Der maximale Leistungsbeiwert
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Wird erreicht bei v3/v1=1/3
Beträgt 16/27=0,59
Folgerungen aus Theorie von Betz
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Unklar auf welche Weise die Verzögerung erfolgt
Auf auftriebsnutzende Windenergieanlagen und Widerstandsläufer anwendbar
Windgeschwindigkeit (geht mit dritter Potenz ein) wichtiger als Fläche (geht linear ein)
Technische Nutzung der Windenergie
Gliederung der Windkraftanlagen (WKA)
Nach Prinzip der Energieumwandlung:
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Widerstandsläufer
Auftriebsläufer
Nach Lage der Hauptelemente
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Luvläufer/Leeläufer
Horizontalachsrotor/Vertikalachsrotor
Nach technischen Auslegungsmerkmalen
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Langsamläufer/Schnellläufer
Ein-, Zwei-, Drei- oder Vielblattrotor
Widerstandsläufer
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Cp max = 0,16 für Wiederstandsläufer
Bei 0,33 erreicht
Vorteile:
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Einfache Bauweise
Sturmsicher
Muss nicht nachgeführt werden
Geeignet für mechanische Arbeit und mit
Getriebe auch für Stromerzeugung
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Schlechte Ausnutzung der Windenergie
Höhe begrenzt
Nachteile:
Moderne Windkraftanlagen
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Windnachführung nötig, ideal wenn Rotorfläche
senkrecht zum Wind steht (optimale Ausnutzung)
Vermeidung von Strukturbelastungen durch
Schräganströmen
Leistungsbegrenzung notwendig um:
o Strukturbelastungen im Starkwindbereich zu
vermeiden
o Maximaldrehzahl nicht zu überschreiten
o Rotorschub nach Abschaltung zu vermindern
Üblicher Arbeitsbereich heutiger WKA von 3 bis 25
m/s
Leistungsbegrenzung
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Bei Kleinanlagen:
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Zweifahnenregelung (aus Wind drehen)
Eklipsenregelung (Abklappen)
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Stall-Regelung (Blätter so geformt das bei Vmax Strömungsabriss
auftritt)
Pitch-Regelung (Blätter werden so eingestellt, das der axiale Schub
auf nahezu null reduziert wird)
Modern WKA:
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Netzparallelbetrieb vs. Inselbetrieb
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Netzparalletlbetrieb:
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Generator direkt oder über elektrische Zwischenkreise mit Netz
verbunden
Beziehen Hilfsenergie für Bremsen, Windnachführung, etc. aus dem
Netz
Müssen daher eigensicher
sein, falls Netz ausfällt
Inselbetrieb:
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Generator betreibt allein
oder im Verbund mit
Dieselgenerator/PVAnlage ein
Verbrauchernetz (Für
Eigenversorgung
abgelegener Häuser, Betriebe, Inseln)
Erreichen schnell Leistungsbegrenzung
Müssen ebenfalls eigensicher sein bzw. verfügen über externe
Energiequelle für Hilfsenergie
Drehzahlstarrer Betrieb vs. Drehzahlvariabler Betrieb
Im Netzparallelbetrieb
Im Inselbetrieb
WKA zur Erzeugung mechanischer Antriebsenergie
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Oft Windpumpensysteme, aber auch Antrieb für Sägewerke oder Mühlen
Kennlinie der WKA und der Pumpe müssen aufeinander abgestimmt sein
Emissionen
Schallemissionen
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Aerodynamische Geräusche:
o
o
Mit zunehmender Schnelllaufzahl
Verminderung durch hohe Profilgüte, abgerundete
Blattspitzen, abgewinkelte Blattenden (wing tips)
Körperschall:
o
o
o
Lagergeräusche, Getriebegeräusche
Sehr weit hörbar da niedrigfrequent Töne
Verminderung/Vermeidung durch:
 Akustische Entkoppelung des Getriebes
 Getriebelose Bauweise
Weitere Emissionen
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Schattenwurf
„Zerstören“ Landschaftsbild
Rechtliches
Anlagenerrichtung an Land
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Regelung zu Windenergie in letzten 20 Jahren sehr umfangreich -> „eigenes Rechtsgebiet“
Anlagen über 50 m Höhe:
o BImSchG
o Regelungen des Bauplanungsrechts (BauGB)
o Bauordnungsrecht des jeweiligen Bundeslandes
o BNatSchG
o Luftverkehrsrecht (LuftVG)
o Straßenrecht (FStrG)
Anlagen zwischen 10-50 m Höhe:
o Baugenehmigungsverfahren/Bauordnung des jeweiligen Bundeslandes
Anlagen unter 10 m Höhe:
o Gelten als verfahrensfreie Anlagen -> keine Genehmigung
Allgemein
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Vorrang- und Eignungsgebiete durch die Flächennutzungspläne/Raumordnung ausgewiesen
Ab 4 Anlagen und Repowering (Erstatz kleiner/alter Anlagen durch größere/neuere bei
gleichem Standort) UVP nötig
Allgemeine rechtliche Regelungen die zu berücksichtigen sind:
o Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG)
o Energiewirtschaftsgesetz
o Energieleitungsausbaugesetz
Anlagenerrichtung auf See
Innerhalb der 12 Meilen Zone
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Geltendes Recht des jeweiligen Landes
In der Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ)
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Seeanlagenverordnung (SeeAnlV)
Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie
Anlagen werden regelmäßig geprüft ob:
 Luftverkehr beeinflusst wird
 Schiffverkehr beeinflusst wird
 Umweltverschmutzung stattfindet
 Der Vogelzug nicht gefährdet wird
Windkraftanlagen heutzutage
Andere Formen der Windnutzung