Ideale Generatorkennlinie

wie weit sollten Windrad- und Generatorkennlinie auseinander liegen?
 
Zephyrus
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Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 28.03.2015 - 11:17 Uhr  ·  #1
Hallo zusammen,

es wird ja oft betont, wie wichtig die richtige Abstimmung von Generator und Windrad ist um eine gute Leistungsausbeute zu erreichen. Allgemein heißt es, die Generatorkennlinie sollte dicht unterhalb der des Windrades liegen. Unterhalb deshalb, um den Rotor nicht vorzeitig abzuwürgen und Drehmoment für eine weitere Beschleunigung übrig zu haben. Wie weit unterhalb ideal bzw. noch sinnvoll ist, möchte ich gerne einmal näher beleuchten und anhand einer kleinen Skizze verdeutlichen:

Im oberen Diagramm sind zunächst die verschiedenen Leistungskurven eines Windrads, eines 'idealen' Generators und eines schwachen Generators in Abhängigkeit der Drehzahl zu sehen.

Die Kurven im unteren Diagramm beschreiben die entsprechenden Leistungsenetnahmen während einer kurzen Böe.
Dabei zeigt die blaue Linie quasi den Verlauf der Böe bzw. die theoretisch entnehmbare Leistung des Windes über einen Generator. Aufgrund der Massenträgheit des Windrades und der bremsenden Energieentnahme, ergeben sich in der Realität jedoch abweichende Kurvenverläufe:

Zunächst zur roten Linie - " idealer Generator":
Bei konstanten Wind (zu Beginn der Böe) entspricht die reale Leistung nahezu der theoretischen Leistung und läuft im optimalen Betriebspunkt. Sobald nun der Wind zunimmt, beschleunigt der Rotor durch sein relativ hohes Bremsmoment nur langsam und erreicht sein Maximum erst nachdem der Wind schon wieder nachgelassen hat. Durch diese Verzögerung bleibt das reale Maximum immer unterhalb des theoretisch Möglichen. Nachdem der Schwung durch die Massenträgheit aufgebraucht ist, fällt die Kurve relativ steil ab und nähert sich wieder dem optimalen Betriebspunkt.

zur grünen Linie - "zu schwacher Generator":
Die Leistungsaufnahme dieses Generators liegt beispielsweise um die Hälfte unterhalb der Leistung des Windrades. Dadurch wird bei konstantem Wind aber nicht halb so viel Energie umgesetzt als im oberen Fall, sondern das Windrad wird soweit überdrehen, bis der Energieüberschuss des Windrades durch die nun höhere Leistungsumsetzung des Generators (höhere Drehzahl) sowie durch strömungsseite Verluste an den Flügeln aufgenommen wird. Insofern wird durch das Überdrehen der Verlust zum Teil wieder gut gemacht und könnte sich auf 1/4 statt der Hälfte reduzieren. Vielleicht sogar noch weniger, wenn die windseitigen Verluste beim Überdrehen quadratisch (?) mit der Drehzahl zunehmen und dadurch die Bremswirkung durch die Luft erst sehr spät wirksam wird. Bei konstanten Wind also ein klarer Nachteil, der jedoch noch überschaubar bleibt.
Steigt nun aber die Windgeschwindigkeit, beschleunigt der schwächer belastete Rotor entsprechend schneller und erreicht somit früher einen höheren Maximalwert als das beim "idealen" Generator der Fall ist. Durch die zusätzlich höhere Drehzahl, ist auch der Drehimpuls (Schwung) größer und somit verläuft beim Abflauen der Böe die Leistungkurve flacher als im oberen Fall, bis sie wieder auf das um 1/4 oder 1/6 tiefere Anfangsniveau absinkt. Somit könnte während einer Böe die Leistungsausbeute hier sogar ein wenig höher sein, als das beim "idealen" Generator der Fall ist.

So wie es für mich aussieht, verhält sich das System insgesamt also ziemlich tolerant und ausgleichend, so dass auch etwas zu schwache Generatoren noch durchaus gute Ergebnisse bringen können.
Bei gleichmäßigem Wind ist der ideale Generator klar im Vorteil, in Wohgebieten usw. könnten jedoch schwächere Generatoren durchaus sinnvoll sein. Was meint ihr?
doelle4
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 28.03.2015 - 12:15 Uhr  ·  #2
Ich meine das Generator und Repellerkennlinie gar nicht auseinanderliegen sollen oder brauchen.
Das war viel früher mal so als es noch keine "intellegenten" Laderegler gab.
Bei Invertern macht die eine programmierbare Kennlinie (hochwertig) oder ein Mppt Regler (weniger gut, aber akzeptabel)
Wenn die Generatorkennlinie unterhalb der des Repellers liegt wie soll da der Generator den Repeller bei Sturm noch stabil einbremsen?
Meist ist es daher so das der Genertor eher in der Leistung größer dimensioniert ist um dies zu gewährleisten und auch noch einen Kurzschluß Notstop Schalter verträgt.
Gruß Hans
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 28.03.2015 - 13:38 Uhr  ·  #3
Ja das ist natürlich richtig - die Kennlinie hängt nicht allein vom Generator ab, sondern von der gesamten Konfiguration. Bei reiner Batterieladung z.B. von der Kapazität der Akkus und bei Netzeinspeisung von der programmierten Kennlinie. Aber wie auch immer die Kennlinie zustandekommt stellt sich Frage, wie diese idealerweise aussehen sollte...?
Das mit dem Bremsen bei Sturm ist natürlich nicht so ideak, wenn die Kennlinie weit unterhalb liegt. Ich denke dennoch besser als ungebremst, aber am besten wäre eine Genertor-Kennlinie, die bei hohen Drehzahlen die Windradkennlinie schneidet und oberhalb liegt. Ich weiß nicht, ob das generell überhaupt möglich ist, da ja die Windenergie mit der 3.Potenz wächst und die Generatoren da schwer mithalten können?
doelle4
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 28.03.2015 - 15:23 Uhr  ·  #4
Früher wars mal so als die AKKUs teils auf einfachste weise ungeregelt geladen wurden (Strom nach Gleichrichter direkt auf Akku, nur ein Überspannungsdump begrenzte bei Volladung)
Hier war es gut wenn die Generatorkennlinie unterhalb ders des Repellers lag.
Mittlerweile aber dank preisgünstiger geregelter Lader nicht mehr notwendig.
Gruß Hans
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 28.03.2015 - 19:43 Uhr  ·  #5
Dass es für Batterieladung auch aktive Regler gibt war mir jetzt neu. Gibt es da ein Standard-Modell? Aber wie auch immer die Leistungskurve zustande kommt, ob programmiert oder passiv, wie sollte sie verlaufen um einen möglichst hohen Ertrag zu bekommen angesichts oben beschriebener Dynamik. Wie genau arbeiten die hochwertigen programmierbaren Regler? Ein Link genügt falls das an anderer Stelle schon dikutiert wurde...
Menelaos
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 28.03.2015 - 22:38 Uhr  ·  #6
Ich hatte das schon ausführlich an mehreren Stellen beschrieben wie die Kennlinie erstellt werden sollte...sowohl bei Batterieladung ohne MPP oder Kennlinie, als auch bei Kennlinienführung. Leider finde ich dazu meine eigenen Beiträge nicht mehr...

GGf. werde ichs also nochmal posten... ;-()
LG
Max
doelle4
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 29.03.2015 - 00:18 Uhr  ·  #7
FamZim
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 29.03.2015 - 11:17 Uhr  ·  #8
Moin

So ein Generator hat nicht nur "eine" Kennlienie, sondern grundverschiedene.
Zum Beispiel die mit gröstem Wirkungsgrad, und die mit der max entnehmbarer Leistung.
Zwischen diesen beiden ist dann ein sinnvoller Betrieb möglich.
( Maximalleistung, bei Eisengeneratoren etwa halbe Lehrlaufspannung und 60 % Kurzschlußstrom).
Richtet man die Leistungsentnahme näher zum ETA aus, hat man noch Reserven zum Bremsen.
Läuft der Generator am Maximum, muß anders, mit anderen Mitteln gebremst werden.

Gruß Aloys.
Zephyrus
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 29.03.2015 - 21:31 Uhr  ·  #9
Danke für eure Links und Erklärungen! Werde wohl nochmal ein wenig tiefer in die MAterie einsteigen müssen. Vor allem ist mir noch nicht ganz klar, welche Eigenschaften ein idealer Generator bei allen Regelungskünsten mitbringen sollte.
Nach meinem Verständnis sollte die Maximal-Leistungskurve des Generators bei einer aktiven Regelung grundsätzlich höher liegen als die des Windrades. Leistung kann ja beleibig abgeregelt, aber nicht erhöht werden.
Aber was kann die Regelung alles? Kann sie auch eine zu schwache Spannung hochregeln, so dass die Ladespannung dennoch erreicht wird, oder muss eine ausreichende Spannung von Generatorseite bereitgestellt werden? Ist also die Steilheit der Generator Kennlinie überhaupt noch relevant? Fragen über Fragen...
doelle4
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 29.03.2015 - 22:52 Uhr  ·  #10
Naja Spannung hochregeln tun die mir bekannten nicht, zu einem Teil macht das aber der Generator.
Wird er vermindert belastet (MPPT oder Kennlinie) dann steigt automatisch die Spannung etwas an.
Gruß Hans
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 30.03.2015 - 12:44 Uhr  ·  #11
Verstehe so langsam die Zusammenhänge :-) - nur leider ist immer noch niemand auf das eigentliche Thema dieses Threads eingegangen: wie eine optimale Belastung des Generators eigentlich aussehen sollte. Ist ein moderates Überdrehen des Rotors (niedrige Kennlinie), speziell bei böigem Wind, sinnvoll oder zeigt die Praxis andere Ergebnisse?
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 30.03.2015 - 13:10 Uhr  ·  #12
Nun ja, bei manchen WR kannst Du die Rampe der Leistungserhöhung bei Spannungsanstieg festlegen, begrenzen, bei mir hab ich das so. Finde die Funktion nicht schlecht, da die Leistungsabgabe etwas stetiger ist, die Mehrleistung wird quasi in der Schwungmasse gepuffert. Dafür pfeift dann aber bei mir dann der Rotor und verlustlos ist das auch nicht.
doelle4
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 30.03.2015 - 17:13 Uhr  ·  #13
Zitat
- nur leider ist immer noch niemand auf das eigentliche Thema dieses Threads eingegangen: : wie eine optimale Belastung des Generators eigentlich aussehen sollte


Weis nicht was du erwartest diese ist je nach Repellertyp /Größe und Masse etwas anders genauso wie bei verschiedenen Windgeschwindigkeiten.

EINEN fixen Wert gibt es da nicht alle vorkommenden Windgeschwindigkeiten.
Wurde ja schon angesprochen das diese Werte variabel sind (Leistungskurve /MPPT)
Ist die Generatorleistung kleiner wie die des Repellers verzichtest du an Leistung ist sie etwas größer dann kann diese voll genutzt werden und hast einen Sicherheitsvorteil.
Weniger belasten kann man einen Generator immer, mehr belasten als die maximale Leistung ist nicht..
Was soll man da noch schreiben?

Überdrehen ist in der Regel ungenutzte Leistung, plötzliches Pfeifen / Zischen zeigt dies akustisch auf.

Gruß Hans
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 30.03.2015 - 21:27 Uhr  ·  #14
Naja schreiben könnte man viel - z.B wie gut nun ein Windrad, das nahe an seiner Leistungsgrenze geregelt wird, böigen Wind abgreifen kann. Die Beschleunigung ist langsamer (Verlust) und das Verlangsamen bei schwächer werdendem Wind vergleichsweise abrupt (wieder Verlust). Siehe Skizzen...aber ist schon ok - will hier niemanden überstrapazieren. Danke soweit mal!
doelle4
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 30.03.2015 - 23:01 Uhr  ·  #15
Zitat
Naja schreiben könnte man viel
Da gebe ich dir voll Recht. Kann man so und so auslegen.
Weis auch was du meinst mit dem besseren Durchstarten bei Böen was sicher gegeben ist, blos wieviel hat man vorher verloren und wieviel gewinnt man damit ?
Beim selbst programmierbaren Kennlinien Turbinenmodus den manche Inverter haben kann man da lange herumtesten was dem Repeller am besten bekommt.
Bei MPPT ist da nichts drinn da muss man sich abfinden mit dem was das Ding bestimmt.

Ist auch stark Abhängig von Masse und Blattform und Schnellaufzahl (1-7), des Repellers, das muss man dann meist selbst verfeiner nach Inbetriebnahme oder auf MPPT vertrauen wos es massive Qualitätsunterschiede gibt je nach Modell /Hersteller .
Vorher schon den Generator deshalb schwächer dimensionieren würd ich jedenfalls nicht denn das ist dann nicht mehr veränderbar.

Meine FD WKA ist so ein Fall, erst als ich dann die Repellerblätter von 2,7 M Durchmesser auf 2,5 Meter kürzte konnte ich das Zischen und Pfeiffen in einen normalen Bereich bringen was vorher fast immer vorhanden war.
Der Generator hatte einfach zuwenig Bremswirkung, auch bei voller Belastung.

Gruß Hans
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 31.03.2015 - 10:36 Uhr  ·  #16
Zitat geschrieben von doelle4

Überdrehen ist in der Regel ungenutzte Leistung, plötzliches Pfeifen / Zischen zeigt dies akustisch auf.
....
Meine FD WKA ist so ein Fall, erst als ich dann die Repellerblätter von 2,7 M Durchmesser auf 2,5 Meter kürzte konnte ich das Zischen und Pfeiffen in einen normalen Bereich bringen was vorher fast immer vorhanden war.
Der Generator hatte einfach zuwenig Bremswirkung, auch bei voller Belastung.

:'(

Also Zischen und Pfeifen deutet auf ein aerodynamisches Problem hin.
Also da fallen mir auf Anhieb 10 Möglichkeiten ein.
Hier alleine die Möglichkeiten des 2-D-Lärms.
http://ntrs.nasa.gov/archive/n…016302.pdf
3-D kommen noch hinzu.

Nun ist es so, dass Lärm mit der 3. bis zur 5. Potenz mit der Geschwindigkeit steigt.
(Siehe Bericht)
Wenn man die Blätter kürzt drehen sie sich langsamer und der Lärm ist reduziert,
da man Drehmoment wegnimmt und damit Drehzahl und damit Blattspitzengeschwindigkeit.
In wie weit der Rotor dann noch beim optimalen Labmba läuft kann man nicht sagen.
Das hat aber mit "ungenutzter Leistung" nichts zu tun.

Ich habe übrigens schon Fälle erlebt, bei denen nur die langsamer drehenden
Blätter den Lärm gemacht haben, weswegen alle umliegenden
Ortschaften (verständlicher Weise) auf die Barrikaden gestiegen sind...
Die rund 10% schneller drehenden Maschinen hatten das Problem
der hochfrequenten 2000 Hertz nicht.
Und genau aus diesem Grunde benutzt man auch keine Profile mit gerader Unterseite.
Fällt mir gerade ein...

Ich fass' es nicht...
Der Arminius
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 31.03.2015 - 10:43 Uhr  ·  #17
Ok danke - hab wieder viel dazugelernt! Nur noch eine Frage zur Bremswirkung von Generatoren. Wenn ein Generator mit sagen wir 200w Nennleistung angegeben ist, wie groß ist dann seine Bremsleistung bei maxiamler Belastung über einen Dumpload? Sind die 200w oder leicht darüber dann schon das Maximum was rauszuholen ist ohne dass er irgendwann durchbrennt, oder sind die 200w nur ein "maximaler Idealwert", der auf Kosten des Wirkungsgrades noch weit nach oben verschoben werden kann? Gibt es da eine Faustformel?
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 31.03.2015 - 11:21 Uhr  ·  #18
Wenn ein Seil für 2 Tonnen Last ausgelegt ist, wieviele hängst Du dann dran?
...
 
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 31.03.2015 - 11:31 Uhr  ·  #19
Zitat geschrieben von vitis

Wenn ein Seil für 2 Tonnen Last ausgelegt ist, wieviele hängst Du dann dran?

Bist Du da verrutscht?
An ein Seil mit 2 Tonnen Festigkeit hängt man maximal 2 Tonnen
dividiert durch den vorgeschriebenen Sicherheitsfaktor.

Beispielsweise ist bei einem Personenlift der SF meines Wissens 10.
Deshalb dürfer bei Materialliften auch keine Personen mitfahren,
da da der SF geringer ist.

Der Arminius
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Re: Ideale Generatorkennlinie

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Gepostet: 31.03.2015 - 15:42 Uhr  ·  #20
Nichtsdestotrotz- Ich schlage vor, erst einmal das stationäre Problem zu betrachten,
bevor man die Regelcharakteristik des instationären auswertet.
Irgendwie soll ja der Rotor bei optimalem Lambda (Tip Speed Ratio) gehalten werden.
Und da muss man diesem so viel Drehmoment entziehen, dass das passt.
P = 2 * Pi * n * M ,
wobei n in 1/sec ist.

Der Arminius
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