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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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 Brillant Verfasst am: 07. Jun 2019 13:38 Titel: Wirkungsgrad von Windkraftanlagen verschiedener Bauart |
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Im öffentlichen Bereich sehe ich nur eine Bauart von Windkraftanlagen, den 3-Flügler mit horizontaler Drehachse plus vertikaler Achse für die Windrichtung.
Berichte über Nachteile dieser Windkraftanlagen machen mich nachdenklich. Die gute Idee, Elektrizität ohne Schadstoffe beim Betreiben zu gewinnen, stößt auf Widerstand der etablierten Kraftwerk-Lobby (Arbeitsplätze), Naturschützer (Vogelshredder), Anwohner (Landschaftsverschandelung, Schattenwurf), Mediziner (Infraschall), ...
Ist diese Bauart wirklich so alternativlos wie es zu sein scheint? Muss eine Windkraftanlage überhaupt bewegte Teile haben oder kann der Wind womöglich Ladungen verschieben?
Mich interessiert die Art und Rangfolge der Faktoren, die zum Ertrag beitragen. Ist es zuerst die Größe der Fläche, die überstrichen bzw. dem Wind entgegengesetzt wird? Oder eher die Konstruktion, bei den 3-Flüglern geht ja viel Wind daneben.
Ziel der Diskussion soll die Darstellung von Alternativen mit ihren Vor- und Nachteilen sein.
Am Rande könnte noch die direkte Windnutzung diskutiert werden, also etwa Segel oder diese Zugdrachen für Frachtschiffe, von denen ich lange nichts mehr gehört habe.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5863
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 07. Jun 2019 15:59 Titel: |
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Theoretisch maximale Leistung einer WKA
Wesentliche Einflussgrössen sind die von den Flügeln überstrichene Fläche und die Windgeschwindigkeit.
Die dreiflügelige Bauart wird deswegen gewählt, da bei mehr Flügeln diese sich gegenseitig den "Wind wegnehmen" und damit der Wirkungsgrad sinkt. Bei sehr vielen Flügeln ist der Spalt zwischen Flügeln so klein, dass zu wenig Luft durchströmen kann.
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 07. Jun 2019 16:03 Titel: |
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| Mathefix hat Folgendes geschrieben: | | Die dreiflügelige Bauart wird deswegen gewählt, da bei mehr Flügeln diese sich gegenseitig den "Wind wegnehmen" und damit der Wirkungsgrad sinkt. Bei sehr vielen Flügeln ist der Spalt zwischen Flügeln so klein, dass zu wenig Luft durchströmen kann. |
Da habe ich eine andere Information. Mit Flügel 4 und 5 erhöht sich der Wirkungsgrad. Allerdings nicht so viel, dass sich der Bau- und Wartungsaufwand lohnt.
Je kleiner die Windgeschwindigkeit, desto mehr Flügel machen Sinn, ist die Aussage richtig? Die 3-Flügler sind demnach auch ein Kompromiss aus den erwarteten Windgeschwindigkeiten.
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Steffen Bühler
Moderator
Anmeldungsdatum: 13.01.2012
Beiträge: 7241
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| Steffen Bühler Verfasst am: 07. Jun 2019 16:20 Titel: |
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Eine gerade Anzahl Flügel ist ungünstig, weil immer ein Flügel genau dann durch den Mast im Windschatten ist, wenn derjenige gegenüber oben in der maximalen Windlast liegt (weil im allgemeinen die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt). Das führt zu unnötig starken Dehnungen und Lagerkräften.
Viele Grüße
Steffen
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Brillant
Anmeldungsdatum: 12.02.2013
Beiträge: 1973
Wohnort: Hessen
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| Brillant Verfasst am: 07. Jun 2019 21:12 Titel: |
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| Steffen Bühler hat Folgendes geschrieben: | | Eine gerade Anzahl Flügel ist ungünstig, weil immer ein Flügel genau dann durch den Mast im Windschatten ist, wenn derjenige gegenüber oben in der maximalen Windlast liegt (weil im allgemeinen die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt). Das führt zu unnötig starken Dehnungen und Lagerkräften. |
Naja, die Flügelspitzen befinden sich in 90 - 230 m Höhe und da kann angeblich die Differenz der Windgeschwindigkeit zwischen oben und unten ohnehin recht groß werden.
Man könnte doch eine gerade Anzahl Flügel so anordnen, dass sich keine zwei gegenüberstehen. Zum Beispiel, indem man von fünf Flügeln einen wegnimmt und stattdessen ein Gegengewicht anbringt.
Außerdem laufen die meisten Windräder in Luv, also in Windrichtung vor dem Mast.
Bild: Wikipedia
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franz
Anmeldungsdatum: 04.04.2009
Beiträge: 11583
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| franz Verfasst am: 07. Jun 2019 21:40 Titel: |
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Frage am Rande: Wie wird der Wirkungsgrad der Windmühlen eigentlich berechnet / gemessen?
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Duke711
Anmeldungsdatum: 26.01.2017
Beiträge: 434
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| Duke711 Verfasst am: 08. Jun 2019 01:50 Titel: |
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| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Mit Flügel 4 und 5 erhöht sich der Wirkungsgrad. |
Richtig siehe Anhang, darum haben Lüfter meist sieben oder mehr Blätter.
| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Naja, die Flügelspitzen befinden sich in 90 - 230 m Höhe und da kann angeblich die Differenz der Windgeschwindigkeit zwischen oben und unten ohnehin recht groß werden. |
Falsch das kann bis zum Lagerschaden führen da der Wind bei einer geraden Anzahl stets eine Unwucht verursacht.
| Brillant hat Folgendes geschrieben: | | Oder eher die Konstruktion, bei den 3-Flüglern geht ja viel Wind daneben. |
Soll auch so sein, jedes Winrad ist ein Widerstand, sollte dieser zu groß sein sucht sich die bewegte Luft sowie so den Weg des geringsten Widerstandes, wo dann die Effizienz beinträchtigt würde. Darum haben Windräder eine relativ kleine Blättfläche. Man könnte diese auch viel kleiner mit einer größeren Blattfläche, wie Lüfter bauen. Außerdem würde man dann die lokale Windrichtung beeinflußen was für folge Winräder negativ wäre.
Ja mit zunehmender Höhe nimmt auch die Windgeschwindigkeit zu. Darum werden immer mehr Windräder mit größerem Durchmesser und in größeren Höhen gebaut.
| franz hat Folgendes geschrieben: | | Frage am Rande: Wie wird der Wirkungsgrad der Windmühlen eigentlich berechnet / gemessen? |
Durch das Anströmverhalten der Blattgeometrie im Windkanal. Bei größeren Blättern ein entsprechendes Skalierungsmodell.
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Mathefix
Anmeldungsdatum: 05.08.2015
Beiträge: 5863
Wohnort: jwd
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| Mathefix Verfasst am: 08. Jun 2019 10:32 Titel: |
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| franz hat Folgendes geschrieben: | | Frage am Rande: Wie wird der Wirkungsgrad der Windmühlen eigentlich berechnet / gemessen? |
Hallo franz,
Aufzählung der rechenbaren, den Wirkungsgrad beeinflussenden Faktoren ohne Anspruch auf Vollständigkeit:
Setzt man die vom Wind angebotene maximale Leistung
= 100 %, wird diese reduziert durch
1. Durchströmeffizienz
a) Es können maximal 2/3 der Windgeschwindigkeit genutzt werden.
b) Wegen des Staudrucks fliesst ein Teil der Luft am Windrad vorbei.
Das ergibt insgesamt einen
Effizienzfaktor c_p = 16/27 ~ 60 % (theoretisches Maximum)
2. Wirksame Anströmfläche
Die Anströmfläche wird um die Stirnfläche der Nabe reduziert.
3. Strömungsverluste
Strömungswiderstand der Flügel.
4. Drehmomentbeschränkung
Da das durch die Windkraft erzeugte Drehmoment mit dem Flügelradius steigt, muss aus Festigkeitsgrunden der Flügel zur Spitze hin verjüngt werden - Reduktion Kraft/Drehmoment - damit die zulässige Biegespannung an der Flügelwurzel nicht überschritten wird.
5. Mechanische Verluste
Wirkungsgrad des Getriebes, wenn WKA kein Direktläufer.
6. Elektrische Verluste
Wirkungsgrad des Generators.
Gemessen werden kann die effektive Leistung einer WKA an der Abtriebswelle des Flügels/Getriebes oder am Generator.
Moderne Anlagen errreichen einen Gesamtwirkungsgrad von ca. 45%.
Schönes Pfingstfest
Gruss
Jörg
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