Windkraftanlage - Welche Kräfte wirken auf ein Rotorblatt?
Hi, in meiner Vorlesung "Energietechnik" nehmen wir gerade Windkraft durch.
Dabei mangelt es mir teils schon am Grundverständnis.
Warum haben die Rotorblätter einen unterschiedlichen Querschnitt und warum sind sie zusätzlich noch tordiert?
Was bringt es mir wenn ich ganz außen, wo die Umfangskraft am größten ist einen kleinen Querschnitt habe? Ich hätte doch eine größere Leistung bei größerer Fläche?
Kennst sich da jemand aus? Danke
6 Antworten
Was du hier beschreibst sind die aerodynamischen Bedingungen eines Blattes von Windkraftanlagen. Da wir es mit Auftriebsläufern zu tun haben, also Anlagen die ähnlich wie eine Tragfläche eines Flugzeuges ihre Momente aus der Strömung der Luft und dem durch unterschiedliche Geschwindigkeiten hervorgerufenen Sog und Druck auf Blattunterseite und Oberseite funktionieren kannman hier vom Tragflächenprinzip sprechen. Das Prinzip der Strömung der Flugzeugtragfläche ist sehr gut zu recherchieren. Bei der Windkraftanlage der genannten Art ist dieses Prinzip nur umgekehrt , hat aber die gleiche Wirkung, nämlich die Übertragung der Kräfte und Einleitung der Rotation. Anders als bei einem Flugzeug, wo du an jedem Punkt der Tragfläche fast gleiche Strömungsgeschwindigkeiten hast , ändert sich aufgrund der Anordnung mit jedem Radius auch die Anströmung der Blätter der Windenergieanlagen. Um jeweils eine optimale Strömung und Energieausbeute zu gewährleisten müssen sich die Blätter zu den Enden hin verjüngen. Die manchmel sichtbare leichte Torsion ist der Vermeidung von Wirbeln und somit auch der Geräuschentwicklung geschuldet. In der Konstruktion der Blätter gibt es durchaus sehr sichtbare Unterschiede mit verschiedenen Zielsetzungen. Als Beispiel seien hier die neuen Anlagen von Enercon und Vestas genannt. Da die maximale Umfagsgeschwindigkeit auf ca. 220 km/h an den Blattspitzen beschränkt werden muss sind fast alle Anlagen darauf ausgelegt und die neueren ohnehin drehzahlvariabel, was die earodynamische Auslegung noch erschwert aber meist auf mittlere Lasten optimiert. In der Tat hat die größere Fläche keine höhere Leistung zur Folge. Hier ist die Form des Blattes , optimiert für die Anströmung entscheidend, ebenso wie die Feinregelung des Blattwinkels(Pitch). (auch hier ist die Torsion des Blattes konstruktiv entscheidend).
Bei Wikipedia gibt es ein paar Informationen dazu, insbesondere, warum man auch Windkraftanlagen mit senkrecht stehender Achse betreiben kann. Beim Googeln mit "Aerodynamik Windkraft" findet man ein paar sehr inhaltsreiche Dokumente.
z.B. www.energiewerkstatt.org/download/Bauformen_Aerodynamik.pdf
Die Form von Rotorblättern werden nach der Betz-Formel berechnet. Das folgende Tool simuliert die Berechnung nach der Betz-Formel:
http://www.educational-animation.com/kis/downloads/Konstruktion-Windkraftanlage/download.php?aid=44
Die Torsion kommt dadurch zustande, dass der Wind für die sich drehenden Rotorblätter eben nicht von vorn kommt, wie es dem äußeren Beobachter erscheint, sondern aus der Richtung, in der der Wind durchschnitten wird. Außen wird der Wind sehr schnell durchschnitten. Daher ist die Torsion hier am größten. Das zeigt das Tool auch sehr gut.
Die folgende Animation zeigt sehr schön, welche Kräfte auf ein Rotorblatt wirken. Hier geht es aber um die Belastung, nicht darum, warum sich das Rotorblatt dreht.
http://www.educational-animation.com/kis/downloads/Kraefte-Windkraftanlage/download.php?aid=45
neben dem Drehmoment, auf das man ja vor allem aus ist, wirken vornehmlich axiale Kräfte... nur so lässt sich die lineare Windbewegung in eine Rotation überführen.
übrigens: 90 % der Getriebeschäden einer solchen Windkraftanlage resultiren aus einer axialen, nicht aus einer radialen Überlastung...
lg, anna