GTI2, Kapitel 7, Windkraft
GTI2, Kapitel 7, Windkraft
GTI2, Kapitel 7, Windkraft
Wie viel elektrische Energie wurde 2013 mit Windkraftanlagen produziert?
ca.330 TJ/a = 89 Mio. kWh/a
Welche historischen Windmühletypen kennen Sie?
Deutsche Bockwindmühle, Kappenwindmühle, amerikanische Windturbine
Was hat die Bockwindmühle spezielles?
Das Mühlenhaus ist drehbar auf einem hölzernen Bock gelagert. Mit Hilfe eines langen Hebelbalkens kann die Windmühle in die jeweilige Windrichtung gebracht werden.
Nennen Sie Unterschiede zwischen der Kappenwindmühle und der Bockwindmühle!
Kappenwindmühle hat im Unterschied zur Bochwindmühle:
- ein fest im Boden verankertes Mühlenhaus
- ein kleiner Teil der Mühle der sogenannten „Kappe“ trägt das Mühlerad
- ein Seitenrad bringt über ein Getriebe das Flügelrad in eine optimale Windposition
- die stabile Konstruktion ermöglicht die Montage von grossen Flügelräder (bis D=30m)
Seit wann wird die Windenergie vom Menschen genutzt?
ca. 4000 Jahren
Wo standen die ersten Windräder?
Mesopotamien (Irak)
Wie viel Hektopascal hat ein bar?
1 bar = 1000 hPa
Wie entsteht Wind?
Wenn z.B. ein Druckunterschied zwischen England und Mitteleuropa besteht, setzt sich die Luftmasse vom höheren (Hoch) zum tieferen Druckgebiet (Tief) in Bewegung. Damit werden die Druckunterschie-de ausgeglichen. Die Bewegung dieser Luftmassen verspüren wir als Wind.
Wie entsteht Seewind?
Am Tag ist die Erwärmung der Landflächen sehr hoch. Deshalb steigt von diesem Warmluft auf, wo-durch der Luftdruck über dem Land fällt. Über dem Wasser ist der Luftdruck dazu relativ hoch. Zwischen diesen beiden Druckgebilden weht am Tag ein Wind Richtung Land, der sogenannte Seewind.
Wie entsteht Landwind?
In der Nacht kühlen die Landflächen sehr schnell ab. Das Wasser, das die Wärme speichern kann, gibt sie verstärkt in der Nacht ab. Es bildet sich daher über dem Meer ein Tiefdruckgebiet. Der Luftdruck über dem Land ist dazu relativ hoch. Es weht vom Hoch über dem Land zum Tief über dem Wasser ein Landwind.
Wie entsteht Talwind?
In den frühen Morgenstunden werden zuerst die Talhänge und Gipfel erwärmt. In den Tälern sammelt sich die schwere und dadurch absinkende Kaltluft. Da über den Gipfeln Wärme abgestrahlt wird, bilden sich hier Tiefdruckgebiete. Die schwere Kaltluft in den Tälern erzeugt einen hohen Luftdruck. Es weht also ein Wind vom Tal zum Berg, ein Talwind.
Wie entsteht Bergwind?
Im Laufe des Tages wurden auch die Täler erwärmt. Doch beim Einbruch der Nacht kühlen die Gipfel schnell ab. Es bilden sich daher auf den Bergen Hochdruckgebiete und in den Tälern Tiefdruckgebiete, es weht ein Bergwind
Was verstehen Sie unter der Beaufort-Skala?
Die Windgeschwindigkeit wird mit Zahlenwerten angegeben. Den Zahlenwert nennt man Beaufort.
Von was ist die Windenergie abhängig?
Abhängig von: Luftdichte, Querschnitt der vom Rotor überstrichenen Fläche, Windgeschwindigkeit, Leis-tungsfaktor cp
Welchen Einfluss hat eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit auf die Leistung einer Wind-kraftanlage?
8 x höhere Leistung
Wann produziert eine WKA bei gleicher Windgeschwindigkeit mehr Energie
- an einem heissen Sommertag oder
- an einem kalten Wintertag? (Mit Begründung)
Wann produziert eine WKA bei gleicher Windgeschwindigkeit mehr Energie
- an einem heissen Sommertag oder
- an einem kalten Wintertag? (Mit Begründung)
Warum steigt die Energieausbeute mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit?
kinetische Energie E=mv2 (Grundformel)
Woher rührt nun die 3. Potenz? Wenn man sich vorstellt, dass man die WKA genau 10 Sekunden lang beobachtet, dann wird in dieser Zeit eine bestimmte Menge Luft den Rotor hindurchströmen. Diese Luftmenge kann man sich als zylinderförmigen Körper vorstellen. Dieser zylinderförmige Luftkörper hat eine Masse. Je schneller der Wind weht, desto länger ist also der Luftzylinder, der den Rotor in diesen 10 Sekunden passiert.
Verdoppelt sich nun die Windgeschwindigkeit, so ist entsprechend auch der Luftzylinder, der in 10 Sek. durch den Rotor weht, doppelt so lang. Damit ist auch die Masse der Luftmenge doppelt so gross.
>> man muss also die bereits quadrierte Windgeschwindigkeit noch einmal mit der Windgeschwindig-keit multiplizieren, um der steigenden Luftmenge gerecht zu werden und kommt somit auf die dritte Potenz. >> Verdoppelung Windgeschwindigkeit = Verachtfachung der Energieausbeute
Was besagt das Betz`sche Gesetz?
Das Betzsche Gesetz besagt, dass eine WKA höchstens cp = 16/27 (oder 59%) der kinetischen Energie des Windes in mech. Energie umwandeln kann.
Was kann mit dem Anemometer gemessen werden?
Die Windgeschwindigkeit
Definieren Sie den Erntefaktor!
Erntefaktor = Energiegewinn / Energieaufwand
Energiegewinn = Energieerzeugung während Lebensdauer abzüglich Eigenbedarf
Energieaufwand = Energie für Herstellung, Transport, Wartung, Entsorgung etc.
Warum ist der Erntefaktor bei fossil betriebenen Kraftwerken immer kleiner als 1?
Der Erntefaktor ist klein, weil während dem Betrieb laufend Energie in Form von Rohstoffen zugeführt werden muss!
In welcher Grössenordnung liegt der Erntefaktor einer Windkraftanlage?
Spanne je nach WKA-Grösse und durchschnittlicher Windgeschwindigkeit zwischen 19-96
Was verstehen Sie unter der energetischen Amortisationszeit?
Die energetische Amortisationszeit gibt an, wie lange ein System braucht um die Energie zu dessen Herstellung wieder herein zu spielen.
Mit welcher Lebensdauer rechnet man bei Windkraftanlagen?
ca. 20 Jahre
Ab welcher ungefähren Windgeschwindigkeit beginnt eine Leichtwindanlage zu arbeiten?
ab ca. 3-5 m/s Windgeschwindigkeit
Zeichnen und Beschriften Sie die Leistungskennlinie einer Windkraftanlage!
Zählen Sie die Elemente einer horizontalen WKA auf!
Rotorblätter, Windnachführungseinrichtung, Anemometer, Getriebe, Gondel, Generator, elektrischer Regler, Turm
Warum wird eine Flugzeugtragfläche nach oben gedrückt?
Durch das spezielle Profil wird die Geschwindigkeit der anström-
enden Luft auf der Profiloberseite erhöht, andererseits auf der Pro-
filunterseite herabgesetzt. An der unteren Seite des Profils bildet
sich im Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an
der oberen Seite entsteht dagegen Unterdruck. Die unter-
schiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass an dem Profil
Auftriebskräfte wirken.
Erklären Sie die Pitch-Regelung einer WKA!
„Pitch“-geregelte WKA sichern die Gleichmässigkeit der Rotorumdrehung durch die Verstellung des Blattwinkels.
Erklären Sie die Stallregelung einer WKA!
Bei „stall“-geregelten WKA sind die Blätter mit einem fix eingestellten Winkel an die Nabe angeschraubt.
Wie wird verhindert, dass sich die Anlage bei stärkerem Wind schneller dreht?
Durch Einbau einer Pitch- oder Stallregelung
Was verstehen Sie unter einem Windpark?
Windparks bestehen aus mehreren WKA (mind. 3), die in einer gemeinsamen Anordnung stehen.
Worin besteht der Unterschied zwischen einer Offshore- und einer Onshore-Anlage?
Offshore-Anlagen sind "im Meer" und Onshore-Anlagen sind "auf dem Land" montiert
Zeichnen Sie das Prinzip eines Luvläufers!
Zeichnen Sie das Prinzip eines Leeläufers!
Nennen Sie Vor- respektive Nachteile des Leeläufers!
Vorteile Leeläufer:
- der Rotor dreht sich in Windrichtung hinter dem Turm. Rotorblätter können dadurch bei starkem Wind nicht gegen den Turm gedrückt werden.
- Drehen sich selbsttätig in Windrichtung
Nachteile Leeläufer:
- Turm verursacht Windschatten
Welches sind die Vorteile einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse?
unabhängig von Windrichtung, gesamte Mechanik und Elektrikkann am Boden untergebracht werden.
Welche Beeinträchtigungen können durch Windkraftanlagen entstehen?
Geräuschemmissionen, Schattenwurf, Infraschall, Beeinträchtung der Avifauna, Störung des Land-schaftsbild.
-
- 1 / 38
-
Cartes-fiches
Wie viel elektrische Energie wurde 2013 mit Windkraftanlagen produziert?
ca.330 TJ/a = 89 Mio. kWh/a
Welche historischen Windmühletypen kennen Sie?
Deutsche Bockwindmühle, Kappenwindmühle, amerikanische Windturbine
Was hat die Bockwindmühle spezielles?
Das Mühlenhaus ist drehbar auf einem hölzernen Bock gelagert. Mit Hilfe eines langen Hebelbalkens kann die Windmühle in die jeweilige Windrichtung gebracht werden.
Nennen Sie Unterschiede zwischen der Kappenwindmühle und der Bockwindmühle!
Kappenwindmühle hat im Unterschied zur Bochwindmühle:
- ein fest im Boden verankertes Mühlenhaus
- ein kleiner Teil der Mühle der sogenannten „Kappe“ trägt das Mühlerad
- ein Seitenrad bringt über ein Getriebe das Flügelrad in eine optimale Windposition
- die stabile Konstruktion ermöglicht die Montage von grossen Flügelräder (bis D=30m)
Seit wann wird die Windenergie vom Menschen genutzt?
ca. 4000 Jahren
Wo standen die ersten Windräder?
Mesopotamien (Irak)
Wie viel Hektopascal hat ein bar?
1 bar = 1000 hPa
Wie entsteht Wind?
Wenn z.B. ein Druckunterschied zwischen England und Mitteleuropa besteht, setzt sich die Luftmasse vom höheren (Hoch) zum tieferen Druckgebiet (Tief) in Bewegung. Damit werden die Druckunterschie-de ausgeglichen. Die Bewegung dieser Luftmassen verspüren wir als Wind.
Wie entsteht Seewind?
Am Tag ist die Erwärmung der Landflächen sehr hoch. Deshalb steigt von diesem Warmluft auf, wo-durch der Luftdruck über dem Land fällt. Über dem Wasser ist der Luftdruck dazu relativ hoch. Zwischen diesen beiden Druckgebilden weht am Tag ein Wind Richtung Land, der sogenannte Seewind.
Wie entsteht Landwind?
In der Nacht kühlen die Landflächen sehr schnell ab. Das Wasser, das die Wärme speichern kann, gibt sie verstärkt in der Nacht ab. Es bildet sich daher über dem Meer ein Tiefdruckgebiet. Der Luftdruck über dem Land ist dazu relativ hoch. Es weht vom Hoch über dem Land zum Tief über dem Wasser ein Landwind.
Wie entsteht Talwind?
In den frühen Morgenstunden werden zuerst die Talhänge und Gipfel erwärmt. In den Tälern sammelt sich die schwere und dadurch absinkende Kaltluft. Da über den Gipfeln Wärme abgestrahlt wird, bilden sich hier Tiefdruckgebiete. Die schwere Kaltluft in den Tälern erzeugt einen hohen Luftdruck. Es weht also ein Wind vom Tal zum Berg, ein Talwind.
Wie entsteht Bergwind?
Im Laufe des Tages wurden auch die Täler erwärmt. Doch beim Einbruch der Nacht kühlen die Gipfel schnell ab. Es bilden sich daher auf den Bergen Hochdruckgebiete und in den Tälern Tiefdruckgebiete, es weht ein Bergwind
Was verstehen Sie unter der Beaufort-Skala?
Die Windgeschwindigkeit wird mit Zahlenwerten angegeben. Den Zahlenwert nennt man Beaufort.
Von was ist die Windenergie abhängig?
Abhängig von: Luftdichte, Querschnitt der vom Rotor überstrichenen Fläche, Windgeschwindigkeit, Leis-tungsfaktor cp
Welchen Einfluss hat eine Verdopplung der Windgeschwindigkeit auf die Leistung einer Wind-kraftanlage?
8 x höhere Leistung
Wann produziert eine WKA bei gleicher Windgeschwindigkeit mehr Energie
- an einem heissen Sommertag oder
- an einem kalten Wintertag? (Mit Begründung)
Wann produziert eine WKA bei gleicher Windgeschwindigkeit mehr Energie
- an einem heissen Sommertag oder
- an einem kalten Wintertag? (Mit Begründung)
Warum steigt die Energieausbeute mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit?
kinetische Energie E=mv2 (Grundformel)
Woher rührt nun die 3. Potenz? Wenn man sich vorstellt, dass man die WKA genau 10 Sekunden lang beobachtet, dann wird in dieser Zeit eine bestimmte Menge Luft den Rotor hindurchströmen. Diese Luftmenge kann man sich als zylinderförmigen Körper vorstellen. Dieser zylinderförmige Luftkörper hat eine Masse. Je schneller der Wind weht, desto länger ist also der Luftzylinder, der den Rotor in diesen 10 Sekunden passiert.
Verdoppelt sich nun die Windgeschwindigkeit, so ist entsprechend auch der Luftzylinder, der in 10 Sek. durch den Rotor weht, doppelt so lang. Damit ist auch die Masse der Luftmenge doppelt so gross.
>> man muss also die bereits quadrierte Windgeschwindigkeit noch einmal mit der Windgeschwindig-keit multiplizieren, um der steigenden Luftmenge gerecht zu werden und kommt somit auf die dritte Potenz. >> Verdoppelung Windgeschwindigkeit = Verachtfachung der Energieausbeute
Was besagt das Betz`sche Gesetz?
Das Betzsche Gesetz besagt, dass eine WKA höchstens cp = 16/27 (oder 59%) der kinetischen Energie des Windes in mech. Energie umwandeln kann.
Was kann mit dem Anemometer gemessen werden?
Die Windgeschwindigkeit
Definieren Sie den Erntefaktor!
Erntefaktor = Energiegewinn / Energieaufwand
Energiegewinn = Energieerzeugung während Lebensdauer abzüglich Eigenbedarf
Energieaufwand = Energie für Herstellung, Transport, Wartung, Entsorgung etc.
Warum ist der Erntefaktor bei fossil betriebenen Kraftwerken immer kleiner als 1?
Der Erntefaktor ist klein, weil während dem Betrieb laufend Energie in Form von Rohstoffen zugeführt werden muss!
In welcher Grössenordnung liegt der Erntefaktor einer Windkraftanlage?
Spanne je nach WKA-Grösse und durchschnittlicher Windgeschwindigkeit zwischen 19-96
Was verstehen Sie unter der energetischen Amortisationszeit?
Die energetische Amortisationszeit gibt an, wie lange ein System braucht um die Energie zu dessen Herstellung wieder herein zu spielen.
Mit welcher Lebensdauer rechnet man bei Windkraftanlagen?
ca. 20 Jahre
Ab welcher ungefähren Windgeschwindigkeit beginnt eine Leichtwindanlage zu arbeiten?
ab ca. 3-5 m/s Windgeschwindigkeit
Zeichnen und Beschriften Sie die Leistungskennlinie einer Windkraftanlage!
Zählen Sie die Elemente einer horizontalen WKA auf!
Rotorblätter, Windnachführungseinrichtung, Anemometer, Getriebe, Gondel, Generator, elektrischer Regler, Turm
Warum wird eine Flugzeugtragfläche nach oben gedrückt?
Durch das spezielle Profil wird die Geschwindigkeit der anström-
enden Luft auf der Profiloberseite erhöht, andererseits auf der Pro-
filunterseite herabgesetzt. An der unteren Seite des Profils bildet
sich im Bereich der verlangsamten Strömung ein Überdruck, an
der oberen Seite entsteht dagegen Unterdruck. Die unter-
schiedlichen Druckverhältnisse führen dazu, dass an dem Profil
Auftriebskräfte wirken.
Erklären Sie die Pitch-Regelung einer WKA!
„Pitch“-geregelte WKA sichern die Gleichmässigkeit der Rotorumdrehung durch die Verstellung des Blattwinkels.
Erklären Sie die Stallregelung einer WKA!
Bei „stall“-geregelten WKA sind die Blätter mit einem fix eingestellten Winkel an die Nabe angeschraubt.
Wie wird verhindert, dass sich die Anlage bei stärkerem Wind schneller dreht?
Durch Einbau einer Pitch- oder Stallregelung
Was verstehen Sie unter einem Windpark?
Windparks bestehen aus mehreren WKA (mind. 3), die in einer gemeinsamen Anordnung stehen.
Worin besteht der Unterschied zwischen einer Offshore- und einer Onshore-Anlage?
Offshore-Anlagen sind "im Meer" und Onshore-Anlagen sind "auf dem Land" montiert
Zeichnen Sie das Prinzip eines Luvläufers!
Zeichnen Sie das Prinzip eines Leeläufers!
Nennen Sie Vor- respektive Nachteile des Leeläufers!
Vorteile Leeläufer:
- der Rotor dreht sich in Windrichtung hinter dem Turm. Rotorblätter können dadurch bei starkem Wind nicht gegen den Turm gedrückt werden.
- Drehen sich selbsttätig in Windrichtung
Nachteile Leeläufer:
- Turm verursacht Windschatten
Welches sind die Vorteile einer Windkraftanlage mit vertikaler Rotorachse?
unabhängig von Windrichtung, gesamte Mechanik und Elektrikkann am Boden untergebracht werden.
Welche Beeinträchtigungen können durch Windkraftanlagen entstehen?
Geräuschemmissionen, Schattenwurf, Infraschall, Beeinträchtung der Avifauna, Störung des Land-schaftsbild.
