Kameier 2013 0 Frank Kameier Lecture SET/ PEU Wind turbine technology Types of plants...

Kameier 2013 1 http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de

Frank Kameier

Lecture SET/ PEUWind turbine technology

• Types of plants• Meteorological data analysis• Measurement technique for wind speed• Vibrations• Aerodynamics – Rankine-Froude, Betz, Schmitz• Noise• Design of pols• Mounting parts especially for small wind turbines roof

top mounted on buildings• CFD


Origin: Wagner, Bareiß, Guidati, Wind Turbine Noise, Springer, Berlin, 1996 (primär)Rogers, A.L., University of Massachusetts, 2006 (sekundär)http://www.ceere.org/rerl/publications/published/Renewable


Origin: Con J. Doolan, Danielle J. Moreau and Laura A. Brooks, WIND TURBINE NOISE MECHANISMS AND SOME CONCEPTS FOR ITS CONTROL, School of Mechanical Engineering, The University of Adelaide, Adelaide, SA 5005, Australia, Acoustics Australia Vol. 40, No. 1, April 2012 - 7


8 m/s

11 m/s1

1

z

MesshöheMesshöhe

hc ch

mit z=0,4

Congruent blade flow - no flow separation in top and bottom position is impossible -


Origin: Rogers, Manwell, Wright: Wind Turbine Acoustic Noise, 2006 http://www.ceere.org/rerl/publications/published/Renewable


Infra sound


…unknown background noise!


Simple CFD


Simple CFD simulation – overall parametersInlet flow free of swirl - 10m/s

Axial flow speed component downstream of the rotor = 5m/s

Rotational speed =28 rpm

Rotordiameter - 27m

Simulation-area (H/L) – 200m/275m

Origin: Hammelstein, Bachelor Thesis, FH Düsseldorf, 2012


Increase of cross-section area of the stream tube



Q-criterion for visualising blade vortex generation


Simple case study without pole!


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

http://www.heise.de/tp/blogs/2/106296http://de.wikipedia.org/wiki/Bahrain_World_Trade_Center05.05.2011

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/dc/Bahrain_WTC_day.JPG


Literaturhinweise und Internetlinks

Gasch, Twele: Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb, Teubner-Verlag 2005

http://www.windpower.org/de/tour/wres/index.htm

ftp://ifs.muv.fh-duesseldorf.de/windpower_dk/

Hersteller:http://www.enercon.dehttp://www.suzlon.comhttp://www.ge.com/de/ourBusiness/infrastructure/energy/wind.html


Windkraftanlage mit Getriebe, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.


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


Aufwindkraftwerk in Manzanares Spanien, Turmhöhe 200m, Turm Ø 10 m, Kollektordach Ø 250 m, Leistung 50 kW, aus Hau, Windkraftanlagen 1997.

Gebaut 1982 – Einsturz durch Orkan 1989


http://www.welt.de/wissenschaft/article1922564/Bochumer_bauen_das_hoechste_Bauwerk_der_Welt.html


Darrieus-Windkraftanlage, Ø 19 m, 170 kW, Firma Flowind USA

Darrieus-Windkraftanlage (H-Rotor), Ø 35 m, 300 kW, USA

Origin: Hau, Windkraftanlagen 1997.

http://www.archiexpo.de/prod/ropatec/vertikale-drei-blatt-kleinwindkraftanlagen-darrieus-rotor-62272-160011.html

… Installation auf Hausdach …

http://img.archiexpo.de/images_ae/photo-g/vertikale-drei-blatt-kleinwindkraftanlage-darrieus-rotor-160021.jpg


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


Japanische Windenergieanlage zur Ausnutzung besonders niederiger Windgeschwindigkeiten (ab 2,5 m/s), Die Welt 29.04.99.


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

November 2006

http://www.motorwavegroup.com/new/motorwind/it2.html


Buch der Synergie – exotische Designshttp://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_08_11_windenergie_neue_designs.htm


Konzept eines 350 kW Meeresströmungsgenerators, Erneuerbare Energien 5/2000.


400 kW Wellenkraftwerk, Kvaerner Brug A.S., Oslo (1985), mit Wells-Turbine, die unabhängig von der Durchströmungsrichtung in die selbe Richtung rotiert. (Origin: VDI 1985) oder www.itpower.co.uk/itpmarin.htm.


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

1/3 c

c

1 2

1/3 c

c

1 2

Freistrahlturbine


Leistung einer Strömungsmaschine

YmP

zgp2

ccY22

21

mit 0z 0p und

22

21Rotor

222

21 ccc

4D

21ccm

21YmP

- mittlere Geschwindigkeit vor und hinter dem Rotor 2

ccc 21Rotor

22

2121

2

cccc4

D4

P


Maximum der Leistung 2cPP

0cccc4

D4dc

ddcdP 2

22121

2

22

0ccccdcd 2

22121

2

0ccccccdcd 3

2212

221

31

2

0c3ccc2 22

2121

0c3cc2c 2212

21

22

222

b,a1 c34c2

2c2c


22

222b,a1 c3ccc

22b,a1 c2cc

2a1 cc Minimum für P

2b1 c3c gesuchtes Maximum 3c

c 12

Leistung der Windkraftanlage

2

121

11

2

c91c

3cc

4D

4P

21

12

c98

3c4

4D

4P


21

12

c98

3c

4DP

21

31

2

cm278c

278

4DP

Die Leistung der Windkraftanlage steigt mit der dritten Potenz.

22

21 ccm

21YmP

0c2 mit

21cm

21P P6.0P

2716Poder

Eine Windkraftanlage kann theoretisch maximal 60 % der vorhandenen Windenergie nutzen.


1/3 c1

c1

1/3 c1

c1

Geschwindigkeitsdreiecke einer Windkraftanlage

Die Skizze geht aus von den Beträgen der Geschwindigkeiten im Absolutsystem.


Es folgt die Festlegung der An- und Abströmrichtungen.


Die Umfangsgeschwindigkeit und eine drallfreie Anströmung werden eingezeichnet.


Das Schaufelprofil wird gemäß An- und Abströmung konstruiert, der Drall am Austritt ist negativ.

u2=u1

c2x=1/3 c1

c = w + u

Y=u(c1u - c2u )w1

u1c1

u2=u1

c2x=1/3 c1

c = w + u

Y=u(c1u - c2u )w1

u1c1

Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.


u2=u1

c2x=1/3 c1

c = w + u

Y=u(c1u - c2u )w1

u1c1

u2=u1

c2x=1/3 c1

c = w + u

Y=u(c1u - c2u )w1

u1c1

Negativer Drall!

Nur die Freistrahlturbine wird drallfrei angeströmt.

c2u u2u1 ccuY


Geschwindigkeitsdreiecke nach der Theorie von Schmitz und Betz, in Anlehnung an Gasch (2007)/1/, rot=Eintritt, grün=Rotorebene(fiktiv), blau=Austritt (Steinberg, Bachelor-Thesis, FHD, 2013)


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.


WKA - Pitch geregelt

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25

c [m/s]

P[kW

]

Windleistung(P~c^3) Anlage 5% Overspeeding


Aufbau einer Gondel - mit Getriebe

Orig

in: B

unde

sver

band

Win

dEne

rgie

e.V

.

h

ttp://

ww

w.w

ind-

ener

gie.

de/


Aufbau einer Gondel – ohne Getriebe

Orig

in: B

unde

sver

band

Win

dEne

rgie

e.V

.

h

ttp://

ww

w.w

ind-

ener

gie.

de/


WKA ohne Getriebe

Origin: www.enercon.de


Die Technik - 500 Mal mehr Energieertrag seit 1980

Orig

in: B

unde

sver

band

Win

dEne

rgie

e.V

.

h

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w.w

ind-

ener

gie.

de/


Die gegenwärtig größten Windenergieanlagen der Welt.

Enercon E-112 Repower 5M Multibrid M5000Nennleistung 4,5 MW 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)

1 Anlagen(Bremerhaven)

Orig

in: B

unde

sver

band

Win

dEne

rgie

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w.w

ind-

ener

gie.

de/


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

http://www.superwind.com/swe/index.htm


Vortex Hydro Energy (Michael Bernitsas, www.memagazine.org, April 2010)

http://www.vortexhydroenergy.com/

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