In Sachen Elektronik bin ich wirklich schlecht. Werde mal die Schaltungen bauen und verschiedene Kondensatoren, Widerstände, usw. ausprobieren und dann die Rechnungen daraus folgern.
Was ich sonst ungefähr weiß, aber nicht wirklich Deutsch. Ist aus dem Buch von Horst Crome. Es können auch weniger sinnvolle Daten enthalten sein. Ich habe dies lediglich beim Lesen von mehreren Quellen notiert.
• Nachts kehrt sich die Windrichtung um
• Theoretische Windleistung: P=p(Luftdichte)/2*v³(Windgeschw)[*Wirkungsgrad*Fläche]
• Getriebe wird 3-fach stärker dimensioniert als häufigste Antriebsleistung
• v2=v1*(h2/h1)^a (v1=gemessene Windgeschw auf Höhe von h1) (a= ca. 0,18/0,2) {siehe S. 46}
• Montage auf Dach positiv, da Mühlenbergeffekt
• Sie sollte 1/3 der Diagonalen höher sein als das Gebäude, wenn der Generator nicht auf dem Dach montiert wird, sollte er den 20-fachen Abstand zum Haus haben
• Kippmomente: F(Anlage)*h+F(Mast)*h/2=kNm
• Standmoment: Gesamte Kraft*Kippkantenabstand(Fundament)
• Verhältnis: Standmoment/Kippmoment=Sicherheit bei Höchstlast (siehe S. 50)
• Axialkraft wirkt in Richtung Achse
• Radialkraft wirkt in Richtung Rotorebene (siehe S. 55)
• Die Windgeschwindigkeit sollte hinter dem Rotor idealerweise 1/3 zur Windgeschw. Vor dem Rotor sein
• V´´(Strömungsgeschw. Des Windes)=2/3*V(Wind)
• Da die resultierende Anströmgeschwindigkeit von außen nach innen abnimmt, ist der Anströmwinkel innen größer (siehe S. 57)
• Manche Windrotoren haben keine Veränderung in dem Anstellwinkel, da sie unverwunden sind →15% Verlust. So wird die Erntefläche einfach ein wenig erhöht
• Je stärker der Wind, desto stärker verformen sich die Rotorblätter und desto größer ist der Anstellwinkel
• Profile an der Blattwurzel sind wegen dem Anströmvektor (Vres) dicker und tiefer, da bei niedrigerer Anströmgeschwindigkeit der Wind trotzdem auf 1/3 abgebremst werden soll
• Profiltiefe: T=(15*PI*Radius(von Flügel)*Vwind²)/(9*Z(Flügelzahl)*c(Auftriebsbeiwert des Profils)*Ur(Umfangsgeschwindigkeit)*Vres) (siehe S. 59)
• Am Rotorblattende entstehen durch den Druckunterschied Wirbel, die den Flügel bremsen
• Am Rotorblattende werden deshalb Abschlusskappen angbrach, Umfang 10mm größer
• Der Flügel muss nicht bis zur Nabe ausgeformt sein, da
1) Flügel wäre in Nabennähe sehr groß
2) Der Flächenverlust wäre bei der Hälfte nur ein Viertel, da das Verhältnis zu Radius und Fläche quadratisch ist
3) Großer Widerstand bei Sturm wegen großer Fläche
• Radius = (√4/3 * A/π) → A = π * (R² - R²/4) (siehe S. 62)
• Der Schlankheitsgrad ist der Quotient aus (mittlerer) Flügeltiefe und der Länge. Dieser Quotient sollte nicht größer als 1/5 sein wegen der Randwirbelverluste
• Bei zunehmendem Wind wandert der Hebelarm immer weiter nach innen → Dies kann genutzt werden, um einer Überlastung entgegenzuwirken, indem der Innenradius nicht so groß ist (siehe S. 68)
• Der „Idealflügel“ macht höchstens 15% aus
• Die Welle sollte so viel mm haben, wie der Rotor dm (dazu vlt noch 10mm dazurechnen!)
• Die Abdeckhaube sollte schalldämmend sein
• Die Abdeckhaube sollte groß genug sein wg Generatorkühlluft
• -“- sollte vorne dicht sein
• -‘- sollte so klein wie möglich sein
• -``- sollte stabil genug sein, um den Rotor zu halten
• Zum Blitzschutz kann man Kupferbandgewebe nehmen (S. 129)
• Beim Lack nicht sparen!
• Um die Kabel nicht zu verdrillen, benötigt man einen Schleifringübertrager, dieser ist nur erforderlich, wenn ein Bremsseil durch den Mast geführt wird, sonst entdrillen sich die Kabel wieder
• Der Generator sollte nie leerlaufen, sondern immer unter Last, d.h. mit Widerstand z.B. Heizpatrone
• Bei Kurzschluss als Sturmsicherung dürfen sich keine Sicherungen befinden, da es sonst die Sicherung rausnimmt
• Um einen Kurzschluss zu machen benötigt man lediglich einen Widerstand, wo dann die Wärme entsteht. Schließt man einfach die Generatorausgänge kurz, wo dann im Generator die Wärme entsteht → Spulen brennen durch → Generator kaputt
• Bei Widerstand kann höchstens der Widerstand durchbrennen
• Getriebe ist schrägverzahnt wg Laufgeräusche
• Drehmomentübertragungsstücke hindern den Körperschall, sich auszubreiten
• Gondel kapseln, Ringlager zwischen Gondel und Mast leiten Schall nur über Kontakt an den Berührungsflächen
• Bäume usw. mildern den Schall der WKA, da sie Fremdgeräusche produzieren
• Kapselung möglich, um Lärm zu mildern (S. 168)
• Blitzableitung durch einen Stahlholm im Flügelinneren
• Kupferbandstreifen können an der dicksten Stelle des Profils eingebracht werden. Dort wird dann warscheinlich der Blitz entlanglaufen
• Zwischen Gondel und Welle kann ein Kupfererdungsband schleifen oder es kann ein Schleifring angebracht werden
• Gesamt: blitzstromfähige Schleifringe mit Abgriff durch einen metallischen Schleifschuh
◦ Blitzstromtragfähige Lager
◦ Funkenstrecken
• Potentialausgleichsschiene zweifach angeschlossen, bei Betonfundament
• Blitzschutz siehe S. 170
• Bei GFK sollte man die Schlagseite verstärken
• Anlagen bis 10m und 4m Rotordurchmesser sind genehmigungsfrei, die Statik sollte dann abgeschätzt werden
• Anlagen von 10 bis 20m und 4-8m Durchmesser brauchen eine Genehmigung und die Statik sollte dann ausgerechnet werden
• Über 20m bzw. über 8m genaue Statik Berechnung für Mast, Fundament und Rotor
• Die Eisansätze müssen beachtet werden
• Bei maximaler Last ist die Axialkraft (in Richtung Welle) am größten
• Die Axialkraft kann mit Hilfe von WINDKRAFT berechnet werden
• Die Auftriebskraft (Radialkraft schräg nach hinten) ruft eine Biegung schräg nach hinten hervor
• Durch das Drehen des Rotors entsteht eine Fliehkraft: Sie zieht den Flügel nach außen und versucht ihn gerade zu strecken, was der Biegekraft entgegenwirkt
• Diese Kräfte werden durch die Rotorholme aufgenommen
• Mit DIN 4131 kann der Staudruck berechnet werden
• Mit DIN 1955 und DIN 1055- Lastannahmen für Bauten- lassen sich die Windkräfte abschätzen
50-Jahres-Wind: ve=50m/s (Klasse 1) (siehe S. 176)
50-Jahres-Bö: ve=1,4*ve=70m/s
Jahres-Wind:vj=0,8*ve=40m/s
Jahres Bö vj=0,8*ve=56m/s
• DIN 1054 Baugrund
• DIN 1055 Lastannahme für Bauten
• DIN 4100 Geschweißte Stahlbauten
• DIN 4114 Stabilitätsfälle
• DIN 4131 Antennentragwerke aus Stahl
• DIN 13800 Stahlbauten, Bemessung und Konstruktion
• DIN 18801 Stahlhochbau, Bemessung, Konstruktion und Herstellung
• Siehe S. 203f.
• Dies sind Richtlinien (Normen) des Germanischen Lloyd
• Bei einer Masthöhe über 10m gilt die Formel v(h)=v*(h/10m)^Rauheitsklasse (0,1)
• Staudruck: p(i)=c(FB) (8/9 Beiwert Betz) *p/2 (Luftdichte 1,25kg/m³) *v(h)²
• Siehe S. 176
• Mit DIN 1055 und DIN 4131 können die Höchstlasten berechnet werden
• Das Aufbruchsmoment am Traglager entsteht wenn im Sturm die Seitenfahne und die Querfahne auf einer Seite sind und so einen Schwerpunkt nicht über dem Traglager bilden
• Beispiele für Windkraftanlagenausführungen S. 192ff.
• Gleichrichter benötigen meist eine Kühlung, wozu man Kühllamellen in vertikaler Richtung benötigt → Kamineffekt
• Formel: Stromdichte (S) = Stromstärke(I) / Querschnitt(A); S = I / A ; I = Ampere
• S = Stromdichte
• I = Stromstärke Beispiel: Durch Lämpchen fließt 0,2Amp.
• A = Querschnitt Stromdichte: a) in Zuleitungen A = 1,5mm²; b) in Glühlempchen A = 0,0004mm²
• zu a) Stromdichte S = 0,2A / 1,5mm² = 0,133 A/mm² ; zur b) S = 0,2A / 0,0004mm² = 500 A/mm²
• Die zulässige Stromdichte bei Leitungen richtet sich nach Leiterquerschnitt,Leiterwerkstof und nach Abkühlungsmöglichkeit.Stromdichte Angaben befinden sich in Tabellen, bei Trafos ist max 2,5 Amp./mm² zulässig,
• bei E-Motoren und Genis zwischen 4 bis max 6Amp. zuläsig,hängt vom Abkühlungbegebenheit.
Aufgaben der Seitenfahnen- Sturmsicherung
1. Der Rotor ist im Normalbetrieb senkrecht im Wind
2. Bei zu viel Wind aus dem Wind drehen
3. Den Generator bei zu viel Wind bei Nennleistung zu betreiben
• Windfahne 10%, Seitenfahne 5% der Rotorfläche
• Die hintere Kante der Windfahne soll so weit von Drehpunkt der Gondel (Azimutlager) entfernt sein, wie der Durchmesser des Rotors
• Die ganze Seitenfahnenfläche soll über den Rotor herausragen
• Die Windfahne ist etwa 30° versetzt
• Bei Normalwind bilden die Fahnenflächen multipliziert mit dem Hebelarm zwei gegensinnige Drehmomente
• Ab einer bestimmten Windgeschwindigkeit kann die Feder/Regelgewicht (V-förmig aufgehängt) den Winkel der Windfahne nicht mehr halten → der Winkel zwischen Seitenfahne und Windfahne wird kleiner
• Der Wind drückt die Fahnen so bis zu einem Winkelanschlag von ca. 30° zusammen. Dieser Anschlag entsteht durch eine Kette
• Wenn der Wind nachlässt, zieht das Regelgewicht die Windfahne zurück in Betriebsstellung
• Reißt das Seil des Regelgewichts, geht die Anlage automatisch in die Sturmstellung
• Doch die Knickmomente auf den Mast und das Azimutlager sind sehr hoch
• Statt eines Regelgewichtes kann man auch durch…
Ein Gewicht mit einer Umlenkrolle (konstant) einfach
Eine Feder zwischen Seitenfahne und Windfahne (proportional) kompliziert
…ersetzen
Das V-förmig aufgehängte Regelgewicht hat den Vorteil, dass der Hebelarm einfach eingestellt werden kann
(Erklärung S. 77)
Hinweise zu Mast und so auf S. 98ff.
Ein Bolzen sichert die Gondel vor ungewolltem Drehen
Bremse
• Wird sie nach dem Getriebe installiert, sind zwar die Drehmomente nicht hoch, aber die Teile werden stark belastet → Vor Getriebe
• Die Teile sollten nicht zu schnell abgebremst werden
Das Bremsseil wird durch den Mast nach unten geführt
Ein Widerstand ist einzubauen, da wenn kein Strom eingespeist werden kann, der Generator keine Last hätte und dadurch sehr hoch drehen würde
Die Bremsleistung muss höher sein als die Leistung, die das Windrad abgibt
(Bremsenerklärung S. 122-129)
• Mit einem Relais/mehreren Transistoren/Triacs kann ab einer bestimmten Spannung ein Stromkreis mit Widerständen geschlossen werden
• Ein Relais kann auch andersrum funktionieren: Ohne Strom geschlossen, mit Strom geöffnet
• Mit einem Relais/Transistor kann man auch eine Kupplung bauen, indem der Strom bei wenig Wind nicht ausreicht, damit das Relais/Transistor durchschält → Generator läuft leer und beschleunigt, da keine Last
Bremssystem
• Schält bei:
o Zu hoher Temperatur
o Zu hohem Strom
o Zu hoher Spannung
• Bei zu hoher Temperatur des Gleichrichters soll ein Lüfter kühlen
• Bei zu hohem Strom sollen Widerstände zugeschaltet werden
• Bei zu hoher Spannung sollen Widerstände zugeschaltet werden
Temperaturüberwachung mit Bimetalllüfterschaltung/Bimetall Schalter z.B. Opitec, alternativ Gleichrichter im Freien → Wind kühlt; Schottky-Dioden vertragen ca. 100°C
Stromüberwachung mit einem Bimetall Relais (ein Bimetall ist mit einem Heizleiter umwickelt) oder Stromrelais
Bei Unwucht kann ebenfalls gebremst werden, Teile werden geschont => Teile müssen gut ausgewuchtet sein
Zusätzlich können Zener-Dioden in Reihe geschaltet werden, um ab einer bestimmten Spannung zu leiten und diese überschüssige Energie wird dann in den Dioden in Wärme umgewandelt → Kühlung; sie werden paralell vor den Wechselrichter geschaltet
Hierzu wird die Spannung auf die Dioden (z.B. 60 aufgeteilt)
Steuerfahnen
• Am besten geeignet sind Dreiecke mit der Spitze in Richtung Nabe
• Die Scharniere sollten wg der Belastung weit auseinanderliegen
• Die Seitenfahnenfläche guckt vollständig über den Rotor hinaus
• Man kann den Bereich durch Änderung des Gewichts, des Spreizwinkels, des Gewichtsseiles und durch die Befestigungspunkte am Fahnenarm verändern
• Ein V-förmig aufgehängtes Gewicht erzeugt bei zunehmendem Sturm eine mit dem Auslenkwinkel quadratische ansteigende Rückstellkraft
• Ein Massenausgleich durch die Seitenfahne ist gut für den Drehkranz (entlastet ihn)
• Die Fahnen können so um ein Rohr gebogen werden, dass sie die Stahlrohre zur Befestigung aufnehmen können
• Wg Gewicht der Flächen am besten Aluminiumblech verwenden
• Die Flächen haben meist einen Knick wegen der besseren Aerodynamik und Festigkeit
• Statt Scharniere selbst zu bauen, kann man auch Gleitlagerscharnieren kaufen
• Der Anschlag bei niedrigem Wind erfolgt durch eine Kette (30°-35° rechts von Welle)
• Der Anschlag bei Sturm erfolgt durch eine Kette zwischen Regelgewichtsarm und Steuerfahne (Windfahne) (S. 74)
• Am Anfang kann das Gewicht des Regelgewichts mit einem Eimer getestet werden
Auslegung
1. Generatornennleistung bestimmen
• Z.B: Generator soll bei 8m/s 2500 W abgeben
• Diese Leistung sollte in etwa bei 2/3 der Maximalleistung des Generators liegen
• Ab dieser Windgeschwindigkeit beginnt die Anlage sich aus dem Wind gedreht, da sonst die Generatorbelastung in Böen zu groß wird
2. Abschätzung der Rotorfläche
• Gewünschte Leistung einer Windgeschwindigkeit durch die zu erwartende Leistung
• A = 2500 W / (1,25 kg/m³ / 2 * 9^3 * 0,33) = 12,12m²
3. Bestimmung des Flügelradiusses
• Radius = (√4/3 * A/π) → A = π * (R² - R²/4) (siehe S. 62)
• Der Flügel muss nicht bis zur Nabe ausgeformt sein, da
1) Flügel wäre in Nabennähe sehr groß
2) Der Flächenverlust wäre bei der Hälfte nur ein Viertel, da das Verhältnis zu Radius und Fläche quadratisch ist
3) Großer Widerstand bei Sturm wegen großer Fläche
• Der errechnete Durchmesser muss wegen der Randwirbelverluste dann noch um ca. 10% vergrößert werden
4. Bestimmung der Schnelllaufzahl
• Je kleiner die SLZ, desto leichter der Anlauf, aber auch desto größer ist die Flächendeckung (gibt an, wie viel Prozent der vom Rotor überstrichenen Fläche von den Flügeln bedeckt werden, d.h. je breiter ist das Profil siehe Programm WINDKRAFT)
5. Anzahl der Flügel
6. Die Auslegungstiefe
• Flügel)*Vwind²)/(9*Z(Flügelzahl)*c(Auftriebsbeiwert des Profils)*Ur (Umfangsgeschwindigkeit)*(Vres) (siehe S. 59)
• Programm WINDKRAFT
7. Das Flügelprofil
• Wählen des Flügelprofils
8. Der Verwindungswinkel
• Der Winkel bei den einzelnen Spanten bzw. Radien wird ermittelt
• Programm WINDKRAFT
1.: 2500W bei 8m/s
2.: 16,63m²
3.: 2,66m Radius WINKDKRAFT: 2,36m (Unterschied wg keinem optimalen Flügel bei 2,66m, da diese den Flügel vereinfacht haben)
4.: SLZ= 3,99
5.: 3 Flügel
6.: siehe WINKRAFT (7+8)
Formelsammlung
• Theoretische Windleistung: P=p(Luftdichte)/2*v³(Windgeschw)[*Wirkungsgrad*Fläche]
• v2 = v1 * (h2 / h1)^a (v1=gemessene Windgeschw auf Höhe von h1) (a= ca. 0,18/0,2)
• V´´(Strömungsgeschw. Des Windes)=2/3*V(Wind)
• SLZ=Umax/V1
• T= ( 15 * PI * Radius ( von Flügel ) * Vwind² ) / ( 9 * Z ( Flügelzahl ) * c (Auftriebsbeiwert des Profils) * Ur(Umfangsgeschwindigkeit)*Vres)
• A(rotor) = gewünschte Energie / Peff/m²
• Radius = (√4/3 * A/π)
• A = π * (R² - R²/4)
• Stromdichte=A/mm²
• Maximale Leistung=(Leerlaufspannung)²/(Innenwiderstand*4)
• Fw (Windlast) =(Luftdichte/2)*vWind2*AProfilabschnitt*cwi (des Profils)
