Was bekommt man heraus wenn man bei einem Windrad die Umfangsgeschwindigkeit durch die Windgeschwindigkeit dividiert, welche Aussage hat dieser Wert?
Normalerweise ist es doch so, dass die Drehzahl zum Rotor und zum Generator passen muss. Der Lehrer sagte aber, dass der Generator zum Rotor überdimensioniert sein muss, um mehr Watt rauszuholen.
Bzw. wenn der Wind zu schwach ist, muss man den Generator abbremsen und darf nicht zuviel Energie raus nehmen, sonst würde das Windrad stehen bleiben. Dann sagte er noch was von einer nicht linearen Kennlinie, d.h. wenn man z.B. 3m/s Wind hat bei 15W, dann hat man bei 2m/s keine 10W. Jetzt weiß ich nur nicht mehr ob der Wert dann kleiner 10W oder größer 10W sein muss. Und wie hängt das mit der Umfangsgeschwindigkeit/Windgeschwindigkeit zusammen?
3 Antworten
Franz1957 hat die Physik auf der Windseite bestens beschrieben. Auf der Generatorseite muss entsprechend das Drehmoment so geregelt werden, dass das Windrad nicht zu sehr abgebremst wird. Je nach Regelung muss aber zunächst die Generatordrehzahl (direkt oder über ein Getriebe) auf die Netzfrequenz oder einen ganzzahligen Bruchteil davon gebracht werden, also auch das Windrad mir der entsprechenden Drehzahl laufen. Den Rest macht dann die Regelung. Bei vielen Anlagen steigt daher die abgegebene Leistung zunächst mit zunehmender Windgeschwindigkeit an, wird aber dann bei Nennleistung abgeregelt.
Die Umfangsgeschwindigkeit dividiert durch die Windgeschwindigkeit ergibt die Schnelllaufzahl. Die ist wichtig für die aerodynamische Berechnung der Rotorblätter, genauer gesagt für den richtigen Anstellwinkel des Profils.
https://de.wikipedia.org/wiki/Schnelllaufzahl
Die nichtlineare Beziehung zwischen Windgeschwindigkeit und Leistung kommt daher, daß erstens die kinetische Energie des Kubikmeters Luft mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigt, und daß zudem noch die Zahl der Kubikmeter, die pro Sekunde durch eine gegebene Turbinenfläche strömen, mit der Geschwindigkeit steigt. Das ergibt eine Funktion mit der Windgeschwindigkeit hoch 3.
https://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie#Physikalische_Grundlagen
Wie viel Energie man höchstens aus dem Wind herausnehmen kann, sagt das Betzsche Gesetz. Es sind 16/27 der Energie, die der Wind transportiert. Nimmt man einen größeren Anteil heraus, bremst man den Wind dadurch so sehr ab, daß man weniger herausbekommt.
Für die Leistungsdichte des Windes und für die 16/27, die man davon entnehmen kann, spielt es überhaupt keine Rolle, wie die Anlage aussieht.
Die Leistungsdichte des Windes (Watt pro Quadratmeter durchströmte Fläche) ist:
wv = (ρ/2) v^3.
Siehe: https://de.wikipedia.org/wiki/Windenergie#Physikalische_Grundlagen
Wenn die Windgeschwindigkeit v statt 3 m/s jetzt nur 2 m/s ist, dann ist die dritte Potenz davon statt 27 (m/s)^3 nur noch 8 (m/s)^3, und die Leistung fällt entsprechend von 15 Watt auf (8/27) mal 15 Watt.
Vermutlich einen Wert der direkt Rückschlüsse auf das zu erwartende Drehmoment gibt, das am Generator ankommt, also quasi auf die zu erwartende Outputleistung der Anlage.
Naja, man sieht an dem Wert, auf welche Art die Turbine ihre Leistung abgibt. Die Leistung an der Welle ist ja 2 Pi mal Drehmoment mal Drehzahl. Hat man eine schnell laufende Turbine mit wenigen schnellen Rotorblättern, wie man sie zur Stromerzeugung bevorzugt, kommt die Leistung von höherer Drehzahl bei kleinerem Drehmoment. Bei den langsam laufenden Turbinen mit vielen Rotorblättern, wie sie auf Farmen zum Wasserpumpen dienen, hat man das erforderliche hohe Drehmoment bei kleinerer Drehzahl.
Es kommen noch weitere Sachen dazu: Das Anlaufverhalten ist unterschiedlich, und die aerodynamischen Verluste entstehen auf verschiedene Weise: Bei den Schnellläufern entstehen sie vor allem durch den Luftwiderstand an den Flügelspitzen, und bei den Langsamläufern vor allem durch die rotierende Abluft und die Rotationsenergie, die sie mitnimmt.
Hierbei handelt es sich um eine vertikale Kleinwindkraftanlage, das habe ich vergessen zu schreiben. Anstellwinkel und automatische Anpassungen wie bei einer horizontalen Anlage wären hier dann nicht gegeben.
Wäre es bei 2m/s dann weniger oder mehr als 10W, wenn es bei 3m/s 15w wären? Wie läuft die Kennlinie.