System Der Windenergieanlagen an der TU Braunschweig | Karteikarten & Zusammenfassungen

Lernmaterialien für System der Windenergieanlagen an der TU Braunschweig

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Vier Bereiche in denen sich Schwingungsprobleme an Windenergieanlagen konzentrieren

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  • die schlanken Rotorblätter unterliegen aero-elastischen Einflüssen
  • der mechanisch-elektrische Antriebsstrang kann zu Torsionsschwingungen angeregt werden
  • die Windrichtungsnachführung kann zu Schwingungen führen
  • die gesamte Windenergieanlage kann ins Schwingen geraten, Ursache ist die Resonanz der vom Rotor ausgehenden periodischen Kräfte mit der Biegeeigenfrequenz des Turmes
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Windenergieanlagen Profile Eigenschaften in Bezug auf Verschmutzung

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Da die Rotorblätter nicht regelmäßig gereinigt werden können, gehört es zu den wichtigen Merkmalen von guten Profilen nicht nur optimale Gleitzahlen zu erzielen sondern diese auch unter den Betriebsbedingungen dauerhaft zu erhalten

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Wie ändern sich die Geschwindigkeitsdreiecke?

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  • wenn sich bei konstanter Rotordrehzahl die Windgeschwindigkeit ändert
  • bei konstanter Windgeschwindigkeit die Rotordrehzahl verändert wird
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Wesentliche Beanspruchungsarten von Bauteilen

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- Zugbeanspruchung
- Druckbeanspruchung
- Schub- oder Scherbeanspruchung
- Biegebeanspruchung
- Torsionsbeanspruchung
- Knicken

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Erklärung der globalen Strömungen am Beispiel der nördlichen Halbkugel (Erklärung, Bezeichnung)

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  • Durch starke Solareinstrahlung am Äquator wird die Luft sehr stark erwärmt
    • steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf
  • aus nördlicheren Zonen wird bodennahe kühlere Luft zum Äquator gefördert
  • aufgestiegene Luft, die Richtung Norden strömt, kühlt sich dabei ab
    • sinkt etwa beim 30. Breitengrad wieder auf erdnahe Schichten
  • NO-Passat oder Hadley-Zirkulation
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Erklärung der Passiven Stall-Regelung (dänisches Konzept)

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  • einfachste Form der Leistungsbegrenzung und wird bei Anlagen ohne Schaufelverstellung eingesetzt
  • Vergrößert sich bei konstanter Rotordrehzahl die Windgeschwindigkeit c1 auf c2 vergrößert sich die Zuströmgeschwindigkeit w2
    • Anstellwinkel wächst bis zur Strömungsablösung "Stall"
      • Auftriebskraft wird wirksam reduziert und folglich auch das Drehmoment am Rotor
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Ursache für die unterschiedliche Energieverteilung auf der Erde

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  • ungleichmäßige Erwärmung der Erde durch die Sonne
  • Aufgrund der Kugelform der Erde ist die Solareinstrahlung in Äquatornähe am höchsten
  • zu den Polkappen hin nimmt diese stark ab
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Speziell für Windenergieanlagen entworfene Profile

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  • Eppler-Profile und Wortmann-Profile
  • RISØ-Profile
  • NREL-Profile
  • Delfter-Profile
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Die wesentlichen Merkmale des verallgemeinerten Turbulenzspektrum der Windgeschwindigkeit

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a) Die „synoptischen“ Spitzen, die jährlich bzw. alle vier Tage auftreten. D.h. es gibt globale Windereignisse die im Jahresrhythmus (Sommer/Winter) und im Vier-Tages-Rhythmus auftreten.
b) Die tägliche Spitze wird durch den Wechsel von Tag/Nacht hervorgerufen (z. B. See-Briese)
c) Die turbulente Spitze, deren Erscheinungsfrequenz im Minutenbereich liegt, erklärt sich aus der vorstehend beschriebenen erhöhten Turbulenz in der Grenzschicht.
d) Die spektrale Lücke bedeutet, dass es praktisch keine Windphänomene im Stundenrhythmus gibt - dies deckt sich mit der normalen Erfahrung, dass Windereignisse (von besonderen Vorkomnissen abgesehen) meist mehre Tage andauern.

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Wie hoch ist de Leistungsminderung für eine moderne Windenergieanlage mit λ = 8 und drei Rotorblättern? Welcher Bereich des Rotors hat besondere Bedeutung bei der Energieumsetzung?

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  • Minderung etwa 8 %
  • Außenbereich große Bedeutung, daher besonders sorgfältig zu gestalten 
  • Blattspitze hat primär akustische Bedeutung
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Schlüsse aus dem großen Einfluss der Geländerauigkeit auf das Höhenprofil des Windes

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  • Bei einer WEA im Binnenland ist die Wahl der Rotornabenhöhe kritischer als im Küsten- oder Offshore-Bereich
  • große Interesse an küstennahen Standorten für Windenergieanlagen
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Warum sind die aus dem Flugzeugbau übernommenen Profile nicht ideal?

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  • zwar hohe Gleitzahlen
  • hinsichtlich der weiteren Anforderungen wie ausreichender Dicke zur Aufnahme der Struktur, Schmutzunempfindlichkeit und günstiges Stall-Verhalten nicht unbedingt ideal
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Q:

Vier Bereiche in denen sich Schwingungsprobleme an Windenergieanlagen konzentrieren

A:
  • die schlanken Rotorblätter unterliegen aero-elastischen Einflüssen
  • der mechanisch-elektrische Antriebsstrang kann zu Torsionsschwingungen angeregt werden
  • die Windrichtungsnachführung kann zu Schwingungen führen
  • die gesamte Windenergieanlage kann ins Schwingen geraten, Ursache ist die Resonanz der vom Rotor ausgehenden periodischen Kräfte mit der Biegeeigenfrequenz des Turmes
Q:

Windenergieanlagen Profile Eigenschaften in Bezug auf Verschmutzung

A:

Da die Rotorblätter nicht regelmäßig gereinigt werden können, gehört es zu den wichtigen Merkmalen von guten Profilen nicht nur optimale Gleitzahlen zu erzielen sondern diese auch unter den Betriebsbedingungen dauerhaft zu erhalten

Q:

Wie ändern sich die Geschwindigkeitsdreiecke?

A:
  • wenn sich bei konstanter Rotordrehzahl die Windgeschwindigkeit ändert
  • bei konstanter Windgeschwindigkeit die Rotordrehzahl verändert wird
Q:

Wesentliche Beanspruchungsarten von Bauteilen

A:

- Zugbeanspruchung
- Druckbeanspruchung
- Schub- oder Scherbeanspruchung
- Biegebeanspruchung
- Torsionsbeanspruchung
- Knicken

Q:

Erklärung der globalen Strömungen am Beispiel der nördlichen Halbkugel (Erklärung, Bezeichnung)

A:
  • Durch starke Solareinstrahlung am Äquator wird die Luft sehr stark erwärmt
    • steigt aufgrund ihrer geringeren Dichte auf
  • aus nördlicheren Zonen wird bodennahe kühlere Luft zum Äquator gefördert
  • aufgestiegene Luft, die Richtung Norden strömt, kühlt sich dabei ab
    • sinkt etwa beim 30. Breitengrad wieder auf erdnahe Schichten
  • NO-Passat oder Hadley-Zirkulation
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Q:

Erklärung der Passiven Stall-Regelung (dänisches Konzept)

A:
  • einfachste Form der Leistungsbegrenzung und wird bei Anlagen ohne Schaufelverstellung eingesetzt
  • Vergrößert sich bei konstanter Rotordrehzahl die Windgeschwindigkeit c1 auf c2 vergrößert sich die Zuströmgeschwindigkeit w2
    • Anstellwinkel wächst bis zur Strömungsablösung "Stall"
      • Auftriebskraft wird wirksam reduziert und folglich auch das Drehmoment am Rotor
Q:

Ursache für die unterschiedliche Energieverteilung auf der Erde

A:
  • ungleichmäßige Erwärmung der Erde durch die Sonne
  • Aufgrund der Kugelform der Erde ist die Solareinstrahlung in Äquatornähe am höchsten
  • zu den Polkappen hin nimmt diese stark ab
Q:

Speziell für Windenergieanlagen entworfene Profile

A:
  • Eppler-Profile und Wortmann-Profile
  • RISØ-Profile
  • NREL-Profile
  • Delfter-Profile
Q:

Die wesentlichen Merkmale des verallgemeinerten Turbulenzspektrum der Windgeschwindigkeit

A:

a) Die „synoptischen“ Spitzen, die jährlich bzw. alle vier Tage auftreten. D.h. es gibt globale Windereignisse die im Jahresrhythmus (Sommer/Winter) und im Vier-Tages-Rhythmus auftreten.
b) Die tägliche Spitze wird durch den Wechsel von Tag/Nacht hervorgerufen (z. B. See-Briese)
c) Die turbulente Spitze, deren Erscheinungsfrequenz im Minutenbereich liegt, erklärt sich aus der vorstehend beschriebenen erhöhten Turbulenz in der Grenzschicht.
d) Die spektrale Lücke bedeutet, dass es praktisch keine Windphänomene im Stundenrhythmus gibt - dies deckt sich mit der normalen Erfahrung, dass Windereignisse (von besonderen Vorkomnissen abgesehen) meist mehre Tage andauern.

Q:

Wie hoch ist de Leistungsminderung für eine moderne Windenergieanlage mit λ = 8 und drei Rotorblättern? Welcher Bereich des Rotors hat besondere Bedeutung bei der Energieumsetzung?

A:
  • Minderung etwa 8 %
  • Außenbereich große Bedeutung, daher besonders sorgfältig zu gestalten 
  • Blattspitze hat primär akustische Bedeutung
Q:

Schlüsse aus dem großen Einfluss der Geländerauigkeit auf das Höhenprofil des Windes

A:
  • Bei einer WEA im Binnenland ist die Wahl der Rotornabenhöhe kritischer als im Küsten- oder Offshore-Bereich
  • große Interesse an küstennahen Standorten für Windenergieanlagen
Q:

Warum sind die aus dem Flugzeugbau übernommenen Profile nicht ideal?

A:
  • zwar hohe Gleitzahlen
  • hinsichtlich der weiteren Anforderungen wie ausreichender Dicke zur Aufnahme der Struktur, Schmutzunempfindlichkeit und günstiges Stall-Verhalten nicht unbedingt ideal
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