Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule DüsseldorfBachelorthesis S.Kröll 1

Kleinwindanlagen

Untersuchung ihrer Eignung auf einem

Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf

SebastianKröll

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Aufgaben der Bachelor Thesis

Übersicht über verschiedene Windenergieanlagen

Grundlagen der Windenergienutzung Auswertung der Messwerte am

Standort der FH Düsseldorf CFD Simulation der Strömungen auf

dem Gelände der FH Düsseldorf

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Übersicht über verschiedene Windkraftanlagen

Horizontalläufer Vertikalläufer Mantelturbine Kitepower

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Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Horizontalläufer

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Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Vertikalläufer

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Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Mantelturbine

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Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Kitepower

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Windenergienutzung

Aufbau der AtmosphäreBodengrenzschicht (Prandtlschicht, Erkmanschicht) und Höhenströmung

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Windenergienutzung

Aufbau der AtmosphärePrandtlschicht, Erkmanschicht und Höhenströmung

11

z

MesshöheMesshöhe

hc c

h

Windprofil

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 2 4 6 8 10 12

Geschwindigkeit [m/s]

Hö

he

[m]

Geschwindigkeit von 2,3 m/s

Geschwindigkeit von 8,4 m/s

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Windenergienutzung

Im Wind enthaltene Leistung

Schubkräfte

3

2P A c

2SF A c Wofür wichtig? Mastauslegung

=Betz Formel mit 16/27

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Auswertung der Messwerte

Windgeschwindigkeitsverlauf über einen Tag und höchste Geschwindigkeiten

Häufigkeitsverteilung Windrichtung Jahresgang

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Windgeschwindigkeitsverlauf an einem Tag

Geschwindigkeitsunterschiede am Tag und Nacht

Windgeschwindigkeitsverlauf am 23.02.2011 auf 22,25 m

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

00:00 02:24 04:48 07:12 09:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 00:00

Uhrzeit

Win

dg

es

chw

ind

igk

eit

[m/s

]

Windgeschwindigkeitsverhältnis am 12.11.2010 auf 22,25 m

0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

0:00 2:24 4:48 7:12 9:36 12:00 14:24 16:48 19:12 21:36 0:00

Uhrzeit

Win

dg

esch

win

dig

keit

[m

/s]

In der Regel: Nacht kleinere Windgeschw. (vielleicht wg. Thermik)

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Häufigkeitsverteilung

Häufigkeitsverteilung gibt die Anzahl der einzelnen Geschwindigkeiten wieder

(5 Minutenmittelwerte, ca.50000 Werte, für das Jahr 2010/11)

mittlere Jahresgeschwindigkeit von 2,3 m/s

Jahr

0

5

10

15

20

25

30

35

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Windgeschwindigkeitsklasse

rela

tive

Häu

fig

keit

[%

]

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Windrichtung

Windrichtung wird in 8 Klassen unterteilt

jede Klasse entspricht einem Bereich von 45°

die Hauptwindrichtung beträgt Südwest

Windrichtungsverteilung

0.0

5.0

10.0

15.0

20.01

2

3

4

5

6

7

8

Nord

West

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Jahresgang

Jahresgang gibt den Geschwindigkeitsverlauf über ein Jahr an (Monatsmittelung)Jahresgang der mittleren Windgeschwindigkeit

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

4.00

Sep Okt Nov Dec Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug

Monat

Win

dg

esch

win

dig

keit

[m

/s]

Jahresgang Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit

Ausreißer – Fehler Messtechnik

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CFD Simulation

Geometrie Netzgenerierung Setup Erstellung der Randbedingungen Ergebnis Problematik

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CFD Simulation Geometrie

Erstellung des Geländes über CAD Programm

Grundkörper Oktagon wegen der 8 Windrichtungen

Änderung an der Geometrie

Abbildung Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument..1: Simulationsgelände Ansys

Hilton

Messstation

FH Neubau

Arbeitsamt

Wie wurden Gebäude vermessen?Stativ Lasergerät

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CFD Simulation Netzgenerierung

Automatische Netzgenerierung(unstrukturierte Tetraeder)

Einfügen von Prismenschichten (Netzverfeinerung am Boden und Gebäudewänden)

Kleinstes Y+ bedeutet wandnächste Schicht bei …

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CFD Simulation Setup

Festlegung der Ein- und Austritte Definition der Randbedingungen

EintrittswindgeschwindigkeitTurbulenzmodellReibung an Wänden keine Reibung am Himmel (welche

Höhe?)

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CFD Simulation Erstellung der Randbedingungen

Ausbildung der Bodengrenzschicht im Anlauf

Ermittlung der Eintrittswind-geschwindigkeit

(mittlere Eintrittsgeschw. ?)

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CFD Simulation Ergebnis

Darstellung des Strömungsverlaufes im Simulationsgebiet und der Windverhältnisse an einzelnen Punkten

Wo liegt der Messort?

Sekundärströmungsgebiete/Nachläufe der umströmten Gebäude

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CFD Simulation Problematik

Ergebnisse sind mit Vorsicht zu betrachten

Gelände und Gebäude stark vereinfacht Simulationen sind stationär – Realität ist

instationär Umgebung außerhalb des

Simulationsgebietes wird nicht berücksichtigt

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Fazit

Vorgehen hinsichtlich CFD wird als sinnvoll bewertet

empirisches Datenmaterial, das als Grundlage diente, erlaubt keine Bewertung hinsichtlich „Wirtschaftlichkeit“

bester Platz ist auf dem L-Takt – warum? c in m/s ZAHL in welcher Höhe ZAHL

vorliegende Studie lässt sich zu Anschauungszwecken nutzen (CFD und mögliche Versuchsanlage)