Regenerative Energietechnik II



                          Windenergie
                                            Teil 2...
Windentstehung




 Durch großflächige Unterschiede in der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche
 entstehen Zonen mit untersc...
Windentstehung




Luft steigt am Äquator auf und bewegt sich in den hohen Luftschichten der
Erdatmosphäre nach Norden und...
Wirkung der Corioliskraft




 Da die Erde rotiert, wird jede Bewegung auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt,
 wenn ...
Kräfte auf ein Luftpaket
 • die Gravitationskraft der Erde, die alle Massen in Richtung Erdzentrum zieht.
 • die Druckkraf...
Geostrophischer Wind und Gradientenwind
             990 mbar




            1020 mbar




 Die Luft wird durch die Druck...
Zirkulationssystem der Erde
                                                       Passat- bzw. Hadleyzirkulation
        ...
Zirkulationssystem der Erde




Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Innertropische Konvergenzzone (ITCC)

                                                    Die lokalen Druckverhältnisse be...
Windstärke und Windgeschwindigkeit




Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Jahresmittel der Windgeschwindigkeit




  Jahresmittel der Windgeschwindigkeit auf der Erde (links) und in Deutschland (r...
Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit
                                                           g*         vH    Jahr...
Windmessung


• regionale Windkonditionen als Entscheidungsgrundlage für die
  Aufstellung von WKA nicht ausreichend
• gen...
Windmessung

Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit
• fortlaufende Messung des Windes an einem Standort in definierter
  Messh...
Windmessung

Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit

                                                    • experi...
Windmessung



  Windklassierer
• Mittelung        der         Wind-
  geschwindigkeit     über     einen
  Zeitraum (meis...
Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit




                           Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit...
Summenhäufigkeit der Windgeschwindigkeit




                                                                             ...
Extremwerte der Windgeschwindigkeit




Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
Windströmung über Hindernisse und Anlagenabstand




                                Einflussbereich von Hindernissen


Wi...
Leistungsdichte des Windes




                                                    Im Wind enthaltene Leistung

          ...
Spezifische Jahresenergie ausgewählter Standorte




                                                                 t
  ...
Idealer Leistungsbeiwert


               v0          v1


          A0
                      A1

    v0
    v1




     •...
Nächste SlideShare
Wird geladen in …5
×

Wind 2 deutsch

1.462 Aufrufe

Veröffentlicht am

0 Kommentare
0 Gefällt mir
Statistik
Notizen
  • Als Erste(r) kommentieren

  • Gehören Sie zu den Ersten, denen das gefällt!

Keine Downloads
Aufrufe
Aufrufe insgesamt
1.462
Auf SlideShare
0
Aus Einbettungen
0
Anzahl an Einbettungen
2
Aktionen
Geteilt
0
Downloads
7
Kommentare
0
Gefällt mir
0
Einbettungen 0
Keine Einbettungen

Keine Notizen für die Folie

Wind 2 deutsch

  1. 1. Regenerative Energietechnik II Windenergie Teil 2 Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  2. 2. Windentstehung Durch großflächige Unterschiede in der Strahlungsbilanz der Erdoberfläche entstehen Zonen mit unterschiedlichen Lufttemperaturen und unterschiedlichen Luftdrücken. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  3. 3. Windentstehung Luft steigt am Äquator auf und bewegt sich in den hohen Luftschichten der Erdatmosphäre nach Norden und Süden (Bild links). Der primären Wirkung des Luftdruckgradienten Fp überlagert sich noch die ablenkende Kraft der Erdrotation, die als Corioliskraft Fc in Erscheinung tritt (Bild rechts). Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  4. 4. Wirkung der Corioliskraft Da die Erde rotiert, wird jede Bewegung auf der Nordhalbkugel nach rechts abgelenkt, wenn wir uns als Betrachter auf der Erdoberfläche befinden und uns daher mitdrehen. (Auf der Südhalbkugel wird die Bewegung nach links abgelenkt). Diese Ablenkungskraft wird als Corioliskraft bezeichnet (benannt nach dem französischen Mathematiker Gustave Gaspard Coriolis 1792-1843). Die Corioliskraft ist ähnlich wie die Zentrifugalkraft eine Trägheitskraft. Die Corioliskraft ist ein sichtbares Phänomen. Eisenbahngleise nützen sich auf einer Seite stärker ab als auf der anderen, Flussbette graben sich auf einer Seite tiefer ein als auf der anderen. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  5. 5. Kräfte auf ein Luftpaket • die Gravitationskraft der Erde, die alle Massen in Richtung Erdzentrum zieht. • die Druckkraft des Luftdrucks der umliegenden Luftpakete auf das betrachtete Luftpaket. Druckkraft und Gravitationskraft gleichen sich unter normalen Bedingungen gerade aus. Damit findet in der Atmosphäre unter normalen Bedingungen keine vertikale Bewegung statt. • die Gradientenkraft. Herrscht an zwei Orten unterschiedlicher Luftdruck, so wirkt die Gradientenkraft vom Ort höheren Luftdrucks zum Ort niedrigeren Luftdrucks (ρL = Dichte der Luft, p1,2 = Druck am Ort 1,2, ∆x = Abstand zwischen Ort 1 und 2). 1 (p 2 − p1 ) Fp = − ρL ∆x • die Corioliskraft ( ω = Winkelgeschwindigkeit, v = Geschwindigkeit). Fc = 2mv ω Auf der nördlichen Halbkugel bewirkt die Corioliskraft, daß sich bewegende Luftmassen nach rechts ausgelenkt werden, wenn man in Bewegungsrichtung sch aut. Auf der Südhalbkugel erfolgt eine Auslenkung nach links. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  6. 6. Geostrophischer Wind und Gradientenwind 990 mbar 1020 mbar Die Luft wird durch die Druckdifferenz zuerst in Richtung des ni edrigen Drucks in Bewegung gesetzt. Dann erfolgt eine Ablenkung nach rechts, und zwar so lange, bis die immer nach rechts wirkende Corioliskraft mit der Druckkraft im Gleichgewicht ist, der geostrophische Wind mit der Windgeschwindigkeit vg (m/s) stellt sich ein. ∆p 1 vg = ∆x 2ωρL sin b ρL = Dichte der Luft (kg/m³), ω = Winkelgeschwindigkeit der Erde an den Polen (1/s), ω sin b = Winkelgeschwindigkeit der Erde am Breitengrad b (1/s), ∆x = Abstand zwischen zwei Isobaren (m), ∆p = Druckdifferenz, die auf das Teilchen wirkt (N/m²) Ist die Bahn des Winds gekrümmt, so wirkt neben Druck- und Corioliskraft noch die Zentrifugalkraft auf die Luftteilchen. In diesem Fall spricht man vom Gradientenwind. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  7. 7. Zirkulationssystem der Erde Passat- bzw. Hadleyzirkulation Die treibende Kraft ist die starke solare Einstrahlung am Äquator. Die Luft erwärmt sich, steigt hoch und bewegt sich dann in großer Höhe nord- und südwärts. Dabei wird sie von der Corioliskraft nach Osten abgelenkt (Antipassat = Westwind). Die Luft kühlt sich ab, sinkt in den Breitengraden ±30° (+Nord, -Süd) wieder nach unten ab und strömt dann zum Äquator zurück, dabei wird sie von der Corioliskraft nach Westen abgelenkt (Passatwind = Ostwind). Windrichtung: Himmelsrichtung, aus der der Wind weht Lee: Die dem Wind abgekehrte Seite, Windschatten Luv: Die dem Wind zugekehrte Seite Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  8. 8. Zirkulationssystem der Erde Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  9. 9. Innertropische Konvergenzzone (ITCC) Die lokalen Druckverhältnisse bestimmen, wieviel Luft in Richtung S und in Richtung N fließt. Wie beim Land-See-Wind strömt ein großer Teil wieder zur Stelle stärkster Einstrahlung und trifft dort mit der Luft von der anderen Hemisphäre zusammen. Die Innertropische Konvergenzzone (ITCC) bezeichnet die Stelle des Zusammentreffens. Es ist deutlich zu sehen, wie sich in Höhe von Panama ein Band über den Pazifik zieht, bei dem die Windrichtung sich abrupt ändert. Zu sehen ist auch, dass die Windrichtung auf der Südseite des Bandes grob SE ist, auf der Nordseite des Bandes grob NE ist. Die Winde, die in die ITCZ führen, bezeichnet man als Passate. Der Grund für die Fließrichtung ist natürlich die Coriolis-Kraft. Das Aufsteigen der Luft in der ITCZ bewirkt durch Abkühlung, daß Wasserdampf kondensiert und sich Wolken bilden. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  10. 10. Windstärke und Windgeschwindigkeit Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  11. 11. Jahresmittel der Windgeschwindigkeit Jahresmittel der Windgeschwindigkeit auf der Erde (links) und in Deutschland (rechts) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  12. 12. Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit g* vH Jahresmittelwert der Geschwindigkeit H in der Höhe H (m/s) v H = v10   (m / s) Jahresmittelwert der Geschwindigkeit 10  v10 in 10 m Höhe (m/s) H Höhe (m) g* Exponent Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  13. 13. Windmessung • regionale Windkonditionen als Entscheidungsgrundlage für die Aufstellung von WKA nicht ausreichend • genaue lokale Verhältnisse müssen berücksichtigt werden • Messung der tatsächlich herrschenden Windgeschwindigkeiten über einen längeren Zeitraum (mindestens ein Jahr) • Einordnung des Messzeitraumes langfristig durch meteorologische Behörde Messung mit Schalenkreuzanemometern. Messhöhe mindestens 10 m über Grund. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  14. 14. Windmessung Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit • fortlaufende Messung des Windes an einem Standort in definierter Messhöhe (in der Regel 10 m über Grund). • Mittelung der Messwerte über einen bestimmten Zeitraum (in der Regel 10 Min). • Mittelung dieser Zehn-Minuten-Mittelwerte über ein ganzes Jahr. Beispiele q Passau: 1,9 m/s q Karlsruhe: 2,5 m/s q Hannover: 4,1 m/s q Cuxhaven: 5,5 m/s q Büsum: 6,9 m/s q Sylt: 7,2 m/s Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  15. 15. Windmessung Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit • experimentelle Ermittlung der Häufigkeitsverteilung durch sog. Windklassierer. • Skala der Windgeschwindigkeiten in Klassen mit einer Breite von meist 1 m/s. • kann analytisch mit einer Weibull- Verteilung beschrieben werden ( C −1) v C C v −  f (v ) dv =   e  A dv A  A Formparameter C Skalierungsfaktor A Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  16. 16. Windmessung Windklassierer • Mittelung der Wind- geschwindigkeit über einen Zeitraum (meist 10 Min). • anschließend Zähler der Klasse, in welcher Mittelwert liegt, um eins erhöht. • Division der Klassenzähler am Ende des Messzeitraums durch die Summe aller Zähler = relative Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  17. 17. Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit für Westermarkelsdorf in 17 m Höhe Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  18. 18. Summenhäufigkeit der Windgeschwindigkeit 0,289 − 0,0008 Sh H v (Sh,H) = v (Sh,10 )   10  V (Sh,H) = Geschwindigkeit der Summenhäufigkeit Sh und der Höhe H (m/s) V (Sh,10) = Geschwindigkeit der Summenhäufigkeit Sh und in 10m Höhe (m/s) Summenhäufigkeit für Westermarkelsdorf in 17 m Höhe (links) und Summenhäufigkeit für Westermarkelsdorf für unterschiedliche Höhen entsprechend der Formel (rechts) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  19. 19. Extremwerte der Windgeschwindigkeit Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  20. 20. Windströmung über Hindernisse und Anlagenabstand Einflussbereich von Hindernissen Windpark: • Mindestabstand von 8-10 Rotordurchmessern in Hauptwindrichtung • Mindestabstand von 3-5 Rotordurchmessern quer zur Hauptwindrichtung Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  21. 21. Leistungsdichte des Windes Im Wind enthaltene Leistung 1 P= ρL A v 3 2 P = Leistung (W) ρL = Dichte der Luft (kg/m³) A = betrachtete Fläche (m²) v = Geschwindigkeit (m/s) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  22. 22. Spezifische Jahresenergie ausgewählter Standorte t Wa ρL 2 3 2 t∫ Spezifisches Jahresenergieangebot des Windes: = v dt ( J / m2 ) A 1 Wa = Jahresenergieangebot (J) A = betrachtete Fläche (m²) ρL = Dichte der Luft (kg/m³) v = Momentanwert der Windgeschwindigkeit (m/s) t2-t1 = Zeitraum eines Jahres (s/a) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
  23. 23. Idealer Leistungsbeiwert v0 v1 A0 A1 v0 v1 • Die Geschwindigkeit v1 in der Rotorebene kann als Mittelwert der v0 + v 2 v1 = beiden anderen Geschwindigkeiten aufgefasst werden 2 v0 • Das Optimum der Austrittsgeschwindigkeit v2 beträgt ein Drittel der v2 = Eintrittsgeschwindigkeit v0 3 P • Der ideale Leistungsbeiwert cp ist das Verhältnis der Rotorleistung P zur cp = maximalen Windleistung Pmax Pmax • Der maximale Leistungsbeiwert cp,max oder Betz-Faktor beträgt 0,593 Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik

×