Wirkungsgrad

...und Abschätzung der Qualität von WEAn
 
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Wirkungsgrad

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Gepostet: 18.02.2014 - 14:26 Uhr  ·  #1
Hier handelt es sich um ein Thema, um die Qualität einer Windenergieanlage abzuschätzen.

Zunächst wird in der Windenergie mit einem speziellen Parameter gearbeitet, dem ominösen "CP-Wert". Diesen hat Alfred Betz eingeführt, als er den maximal stationär erreichbaren Wirkungsgrad einer Windenergieanlage ermittelte. Dieser Wirkungsgrad beträgt 16/27 beziehungsweise etwa 59 %.
Man kann stationär keine 100 % Wirkungsgrad erreichen, da man zu diesem Zweck die Luft, die durch die Windenergieanlage strömt, komplett abstoppen müsste und dann hätte diese keinen Durchfluss mehr. Die 59 % gelten übrigens für jede "Blackbox"; wie dem Wind die Energie entzogen wird ist bei dieser Betrachtung völlig egal.
Diese 59,26 % sind somit der maximal erreichbare aerodynamische Wirkungsgrad einer Windenergieanlage.

Faktisch sind diese 59 % somit 100 % Wirkungsgrad; mehr geht nicht.
Betrachtet man Großwindanlagen, so findet man als Favorit die Firma "Enercon", die einen CP-Wert der Gesamtanlage (! - nicht nur Rotor) von 0,5 angibt, wozu allerdings ein gigantischer Aufwand getrieben wird, wie man beim Anblick dieser Maschinen sofort sieht.
Umgerechnet bedeutet dies 85 % Wirkungsgrad gegenüber einem CP von 0,59. Für ein technisches Gerät ist dies ein hervorragender Wert. Verbrennungsmotoren beispielsweise erreichen maximal 40 %.
Wollte man die 85 % zu 90 % verbessern, so müsste man die Verluste, die ja nur 15 % betragen, um 33 % zusätzlich reduzieren; dies würde ich als "unmöglich" bezeichnen.

"Normale" Großwindenergieanlagen erreichen im allgemeinen ein maximales CP von etwa 0,46, was knapp 78 % Wirkungsgrad bedeutet. Zu diesem Sachverhalt fällt mir eine Pressemitteilung ein, in der gemeldet wurde, dass in Japan eine Windenergieanlagen entwickelt worden wären, die doppelt so effizient wäre als die herkömmlichen. Nimmt man die 78 % Wirkungsgrad an und verdoppelt sie, so erhält man 156 % Wirkungsgrad. Kein Kommentar. Nur 20 % besser, also 93% wäre schon extrem gut, da man die Verluste von 22% auf nur 7% dritteln(!) müsste - auch dies ist faktisch unmöglich.

Nun zu Windenergieanlagen im allgemeinen: Wirkungsgrade multiplizieren sich. Ein normaler Rotor einer Windanlage erreicht maximal ein CP von 0,5, was, wie bereits erwähnt, 85 % Wirkungsgrad entspricht. Hierzu kommen elektrische Verluste und eventuell Getriebeverluste.

Nimmt man nun beispielsweise eine kleine Windanlage mit einem CP des Rotors von 0,4, was etwa 68 % Wirkungsgrad entspricht, so muss man sich überlegen, wie man nun die elektrische Energie erzeugt:
Wählt man einen einfachen Scheibenwischermotor (oder noch schlimmer: Fahrraddynamo), so hat beispielsweise der Scheibenwischermotor einen Wirkungsgrad von 50 % (OK- hier gibt es Stellen, wo 60-70% gesagt wird- ich bin da kein Profi - Der Fahrraddynamo mit viel Glück 30 % das weiss ich). Somit beträgt mit Scheibenwischermotor der Gesamtwirkungsgrad der Windenergieanlage nur etwa 0,68 * 0.5 = 34 % (Fahrraddynamo 20 %). Dies ist nicht besonders viel.
Hieran sieht man meines Erachtens, dass es relativ viel Sinn macht, in den elektrischen Konverter verhältnismäßig viel Aufwand beziehungsweise Geld zu investieren, sonst leidet der Ertrag.
Ein Rotor kann gar nicht so schlecht sein (Auch ein Grund, weshalb schlechte Rotoren faktisch nicht "auffallen"). Spart man am Rotor, so hat er ein maximales CP von geschätzten 0,35, was knapp 60 % Wirkungsgrad entspricht. Nimmt man aber hier einen guten Generator mit Wirkungsgrad von 90 %, so erreicht man immer noch 54 % Gesamtwirkungsgrad des Systems.
Selbst bei maximalem CP=0,3 sind es mit 46 % immer noch mehr als mit Scheibenwischermotor.

Der Arminius

Jetzt hätte ich beinahe etwas vergessen:
Es gilt P(leistung) = CP * rho(Luftdichte)/2 * A(Fläche) * v^3 (Windgeschwindigkeit zum Kubik)
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Re: Wirkungsgrad

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Gepostet: 15.10.2014 - 09:49 Uhr  ·  #2
Sehr schöne Ausführung. Der Vollständigkeit halber wäre in diesem Zusammenhang noch die oft vernachlässigte Bedeutung der Reglung wünschenswert - bei Akkuladung und bei Netzeinspeisung. Nur die richtige Belastung des Rotors, lässt diesen im optimalen Arbeitspunkt - sprich mit der berechneten SLZ- drehen, und damit seinen theoretischen Wirkungsgrad erst erreichen. Leider habe ich diesbezüglich keine besonderen Kompetenzen und gebe das Wort an die Experten weiter :-)
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Re: Wirkungsgrad

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Gepostet: 01.12.2014 - 07:24 Uhr  ·  #3
Ich danke für diese kritische Frage.
Auch ich sehe es so, dass der Regelung von Windenergieanlagen zu wenig Beachtung geschenkt wird. Zunächst: was ist der Unterschied zwischen Regelung und Steuerung? Die Steuerung geht nur in eine Richtung, während bei der Regelung von hinten wieder ein Signal bekommt, das den Regelparameter beeinflusst.
Mit der Regelung von kleinen WA kenne ich mich leider nicht aus. Bei großen WEA ist es so, dass über die Vorgabe des Drehmomentes bei Abgriff der Drehzahl die Anlage geregelt wird. Das Anemometer oben auf den Anlagen ist letztendlich nur zum schätzen, da die Strömung hinter dem Rotor schon stark gestört ist. (Es gibt Leute, die versuchen, mit diesem die Leistungskurve der WEA zu ermitteln, doch ist der Fehler, wie bekannt, kubisch und die Werte kann man definitiv "vergessen".)

Bei großen WEA ist es so, dass knapp hinter dem Anlaufen der Anlagen das Drehmoment so vorgegeben wird, dass die Anlage bzw. die Rotorblätter bei richtiger Schnellaufzahl (SLZ) und optimalem Cp laufen. Dies wird bis zu einer Windgeschwindigkeit getrieben, bis fast die maximale erlaubte Blattspitzengeschwindigkeit anliegt, was im allgemeinen bei knapp halber Nennleistung ist.
Von diesem Punkt an wird die Drehzahl des Rotors fast konstant gehalten und die SLZ des Rotors wird reduziert, bis dass die Blätter fast aerodynamisch stallen. Der Rotor wird quasi "abgewürgt", das Cp sinkt, der Auftriebsbeiwert der Rotiorblattprofile steigt (Während die Rotorblätter bei korrekter SLZ laufen ist der Auftriebsbeiwert immer gleich- lediglich die Reynoldsche Zahl nimmt zu).
Die Begrenzung der Blattspitzengeschw. hat auch den Sinn, dass die Lasten nicht zu hoch werden und auch der Lärm.
Letztendlich sind es nur die Lasten, die die Effizienz einer Anlage bestimmen: eine Windenergieanlage ist ein Windenergiekonverter, der möglichst günstig sein soll. Und um ihn günstig zu bauen müssen die Lasten möglichst niedrig sein, damit man möglichst wenig Material verbraucht. Und zu diesem Zweck muss man eine WEA zunächst korrekt auslegen. Und auch eine Starkwindanlage an einen Starkwindstandort stellen und eine Schwachwindanlage auch an einen Schwachwindstandort.
Und um die Lasten niedrig zu halten und damit möglichst wenig Material zu verbrauchen muss die Regelung ausgefeilt sein.
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Gepostet: 01.12.2014 - 10:12 Uhr  ·  #4
Zitat: während bei der Regelung von hinten wieder ein Signal bekommt, das den Regelparameter beeinflusst

Und hier scheidet sich sicherlich bei den Wechselrichtern von KWA die Spreu vom Weizen. Da die Windgeschwindigkeiten kaum einmal eine Sekunde konstant sind, muss der Wechselrichter vor allem sehr schnell regeln können. Bei großen Anlagen sind kleinere Unterschiede in der Windgeschwindigkeit weniger erheblich, die werden durch die vorhandenen Massen glattgebügelt. Bei kleinen dagegen sehr. Ich möchte behaupten, dass ich bei unserer Anlage noch nie zwei Sekunden lang gleichbleibenden Wind hatte. Meist wechselt die angegebene erzeugte "Power" 3-5 mal pro Sekunde. Ob das auch noch viel schneller geht, kann ich nicht sagen. Jedenfalls entscheidet die Schnelligkeit sicherlich zu einem guten Teil, wie nahe man der für die Anlage idealen SLZ kommt.

Im Übrigen gehört die zugrunde gelegte Leistungskurve sicherlich stets zu den am besten gehüteten Betriebgeheimnissen der Anlagenbauer.
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Re: Wirkungsgrad

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Gepostet: 01.12.2014 - 13:22 Uhr  ·  #5
Ganz genau - auch der exakte Abgriff der Drehzahl ist nicht wirklich trivial.
Und die großen Dinger sind ja ganz schön träge...

Allerdings haben das Stallanlagen früher anders gelöst:
Die hatten nur irgendwie (genau weiss ich das nicht) 2 Stufen, wobei beim Generator einmal 4 und einmal 6 Pole abgegriffen wurden. So etwas könnte man bei einem Scheibengenerator auch machen:
Die Anzahl der involvierten Spulen regeln.
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Re: Wirkungsgrad

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Gepostet: 01.12.2014 - 13:43 Uhr  ·  #6
"Die Anzahl der involvierten Spulen regeln"

Oder mit Elektro-Magneten arbeiten, deren Stärke man dann den jeweilgen Bedingungen anpasst. Ich glaube, Enercon macht so etwas (zumindest bei einigen Typen).

Dieter
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Re: Wirkungsgrad

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Gepostet: 01.12.2014 - 17:53 Uhr  ·  #7
Wobei der Erregerstrom wieder Verluste und damit geringeren Wirkungsgrad bedeutet :(

Bin da am Überlegen seit mein Spezial-Windkraft-WR die Grätsche machte ob nicht ein Solar-MPPT-WR mit vorgeschaltetem aktivem Gleichrichter ein Lösungsansatz wäre. Gleichrichter als Phasenanschnitt-oder -abschnitt oder drehzahlabhängig einzelne Phasen zuschalten ... möglich wäre beides ...

Die Idee dabei ist halt den MPPT auszuhebeln und mit preiswerten PV-WR arbeiten zu können.

Regelgröße wäre die Frequenz und Strom des Generators und damit die Drehzahl und Drehmoment
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Re: Wirkungsgrad

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Gepostet: 02.12.2014 - 09:44 Uhr  ·  #8
Zitat geschrieben von dig-it

Oder mit Elektro-Magneten arbeiten, deren Stärke man dann den jeweilgen Bedingungen anpasst. Ich glaube, Enercon macht so etwas (zumindest bei einigen Typen).

Soweit ich weiss haben die gar keine Magneten. Zumindest die ganz grossen.
Nur diverse Tonnen Kupfer. Aber da bin ich nicht sicher.

Der Arminius
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