254 – Rotorauslegung bei Windkraftanlagen
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Gast: Volker Kremer Host: Markus Völter Shownoter: Thomas Machowinski
In dieser Episode sprechen wir über das Design der Flügel und Rotoren von Windkraftanlagen. Unser Gast ist Volker Kremer, der als Ingenieur an der Auslegung solcher Anlagen bei Aerodyn arbeitet. Wir beginnen mit einer Abgrenzung des Themas (denn die vollständige Anlage behandeln wir in späteren Episoden), besprechen Rahmenbedingungen und Einflussgrößen, und diskutieren dann wie sich physikalische Grundlagen und Betriebsaspekte auf das Rotordesign auswirken. Auch Materialien und die mechanische Konstruktion der Rotorblätter kommt zur Sprache. Wir schließen das Gespräch mit einem Ausblick auf Innovationspotentiale.
Vorstellung und Einführung
00:02:07(Aerodyn Energiesysteme - Ingenieurbüro) | Großwindkraftanlangen ab etwa 500 kW Leistung | onshore typisch bis 4MW | offshore bis 8MW | wesentlicher Faktor für die Größe ist Transport | WKA Windkraftanlage | WEA Windenergieanlage
Rahmenbedingungen und Einflussgrößen
00:09:31Standort | Typenklasse nach mittlerer Jahres-Windgeschwindigkeit | Je mehr Wind, desto kleiner der Rotor | Turmhöhe
Physikalische Grundlagen
00:16:07Theorie nach Betz | Maximal können ca. 60% der Leistung des Windes durch einen Rotor in mechanische Leistung umgewandelt werden. Dabei wird die Windgeschwindigkeit um ca 1/3 abgesenkt. | Große Maschinen haben im Allgemeinen größere Wirkungsgrade | Rotorblätter sind mit Flugzeugflügeln grundsätzlich vergleichbar | Profiltiefe | Aussen am Flügel herrschen hohe Geschwindigkeiten, innen geringe Geschwindigkeiten | Verwindung des Profils | Anstellwinkel | verschiedene Profile über die Flügellänge | Randwirbel | Drei Rotorblätter sind typisch. | Verschmutzung auf dem Rotorblatt mindert die Leistung. | Stall / Strömungsabriss | Turbulator | Übergang zwischen laminarer und turbulenter Strömung in der Grenzschicht | laminar-turbulent transition (englisch) | Grenzschichtzaun | Wölbklappe | Metallische Teile vermeiden: Blitzschutz!
Betrieb einer WKA
00:59:07„Was is eine optimale Drehgeschwindigkeit“ (cp - Leistungsbeiwert) | Rotorblattverstellung (Pitch)
Aerodynamische und mechanische Auslegung
01:10:27Reynoldszahl | CFD-Simulation | Blattelementtheorie (englisch) | Profilpolare | Auftrieb | Widerstand | Aerodynamik am Rotorblatt (Tilt - Neigung der Rotorebene gegen die Vertikale | Turmfreigang - Platz zwischen Turm und Rotorblatt) | Biege-Torsions-Kopplung | Divergenz | Dynamic Stall | FEM (BEM - Blade Element Momentum Theory (englisch)) | Balkenmodell | Kopplung zwischen Aerodynmaik und Struktur
Konstruktion und Materialien
01:44:10(GFK - Glasfaserverstärkter Kunststoff | CFK - Kohlefaserverstärkter Kunststoff) | Kohlefaser | Faserverbund | Biltzschutz | Holm | Gelege | Fertigung in Halbschalen | Vakuuminfusionsverfahren | UD-Gewebe (Schale trägt mit - vor allem Torsion) | Blattanschluss | Sehr hohe Betriebslasten | Typische Fehler | Regelmäßige Prüfungen (Volle Inspektion alle zwei Jahre - Sichtprüfung)
Innovationspotentiale
02:07:11Individual Pitch Control | Active Trailing Edge | Aktive Systeme zur Lastreduktion | Windfeldvermessung | Condition Monitoring | Optimierung auf kleinere Windgeschwindigkeiten | Prepreg-Composites | Abschluss | „Wie viele verschiedene Designs werden realisiert?“ | Aerodyn entwickelt auch komplette Anlagen, ca. 1 pro Jahr
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Es gibt einige Patente zu Mückenputzern für Windkraftrotoren:
https://www.google.com/patents/US20090297352
Die haben aber alle ziemlich hart bei uns Segelfliegern abgeguckt…..
Cool, danke für den Link :-)
Eine kleine Berichtigung: für das Maximum an entnommener Leistung muss die Windgeschwindigkeit nicht _um_ 1/3 abgebremst werden, sondern _auf_ 1/3 der ursprünglichen Geschwindigkeit, siehe z. B. den entsprechenden Wikipedia-Artikel https://de.m.wikipedia.org/wiki/Betzsches_Gesetz. Also muss um 2/3 abgebremst werden.
War wieder eine interessante Episode, spannendes Thema!
Danke!
Mist, wie gibt man hier *****+?^^
Und der Vergleich zu Segelfliegern hilft definitiv auch nichtfliegern ;-)
Schön, war mir nicht sicher bzgl. der Vergleiche zur Fliegerei :-)
Ich fand die Folge sehr ineressant. Die Vergleiche mit der Fliegerei fand ich auch sehr gut. Und das als Nichtflieger.
Sehr interessantes Thema und gut abgearbeitet im Podcast. In der Hälfte hat es zwar einige Längen, wo man ruhig etwas kürzer machen könnte. 3/5 Sterne
Hallo.
Ich bin heute auf diesen Podcast gestoßen, und dies ist die erste Folge die ich mir angehört habe. Vorweg, ich sehe jetzt schon an der Folgenliste, daß ich einiges aufzuholen habe.
Zur konkreten Folge möchte ich jedoch eine kleine Kritik loswerden: Ich bin beim hoeren ganz wuschig geworden. Es waren nicht die besagten Fliegereireferenzen, sondern die Art und Weise wie sie daher kamen.
Es ist deutlich, daß Markus vom Thema begeistert ist, und das kann ich nur gut finden. Trotzdem, oder gerade deswegen, hat sich mir die Folge eher wie eine Fachsimpelei unter fachverwandten Kollegen praesentiert, als eine Podcastfolge in der es auch noch einen Zuhoerer gibt.
Als solcher habe ich mich hier sehr allein gelassen gefuehlt. Zwar hatte ich schon den einen oder anderen Berührungspunkte mit dem Thema, mir fehlte jedoch zu viel Vorwissen um aus der Folge mehr mitzunehmen, als ich sowie so schon wusste, bzw vermutet habe.
Es haette dem Gespraech, aus meiner Sicht, gut getan, wenn Makus seine Expertise daringehend eingebracht, die angesprochenen Themen zu entwickeln, nach und nach aufzurollen, und an Stellen, wo es zu einem Sachverhalt noch etwas sagen gibt mit entsprechenden Fragen. dort hinzuleiten. Stattdessen wurde immer ein weiteres Stueck Wissen in die das Gespraech geworfen, dass einmal mehr und einmal weniger passte.
Lieber Markus, bitte nutze deine Begeisterung und dein Sachwissen um die Themen einem Hörer darzulegen, und die Sachverhalte auseinander zu dividieren, anstatt einen “educated guess” nach dem anderen zu bringen.
Nichtsdestotrotz danke ich vielmals für den Podcast. Ich denke jetzt schon, dass ich bald ein treuer Hoerer bin.
Beste Grüße.
Das ist eine Kritik die schon öfters angekommen ist. Ich nehme sie auch zur Kenntnis, ist sicher richtig. Es ist halt aber sehr schwer das im sich entwickelnden Gespräch zu vermeiden. Ich versuche es. Hier ist’s wohl misslungen.
Klasse!
Aufgrund meiner langen Bahnfahrten “arbeite” ich gerade die Folgen ab ;-)
Zum dritten Kommentar: Die Abbremsung um 1/3 bezog sich im Podcast wohl auf die Rotorebene wo ja auch die Auslegung stattfindet und ist daher doch korrekt. Hier wird das Theorem von Froude und Rankine angewendet (https://de.m.wikipedia.org/wiki/Theorem_von_Froude_und_Rankine), nach dem die Geschwindigkeit in der Rotorebene gleich dem Mittelwert der Geschwindigkeiten vor und hinter dem Rotor ist. Durch Aufweitung der Stromröhre sinkt die Geschwindigkeit im Nachlauf um ein weiteres Drittel (bezogen auf die Anströmgeschwindigkeit). Stromab ist also 2/3 Abbremsung nach Betz korrekt.