Transcript Kleinwindanlagen Untersuchung ihrer Eignung auf

SebastianKröll
Kleinwindanlagen
Untersuchung ihrer Eignung
auf einem Gebäude der
Fachhochschule Düsseldorf
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
1
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
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
2
Übersicht über verschiedene
Windkraftanlagen




Horizontalläufer
Vertikalläufer
Mantelturbine
Kitepower
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
3
Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Horizontalläufer
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
4
Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Vertikalläufer
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
5
Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Mantelturbine
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
6
Übersicht zu verschiedenen Windenergieanlagen

Kitepower
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
7
Windenergienutzung

Aufbau der Atmosphäre
Bodengrenzschicht (Prandtlschicht, Erkmanschicht) und
Höhenströmung
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
8
Windenergienutzung

Aufbau der Atmosphäre
Prandtlschicht, Erkmanschicht und Höhenströmung
Windprofil
50
45
40
35
 h1 
c1  cMesshöhe 

 hMesshöhe 
z
Höhe [m]
30
Geschwindigk
Geschwindigk
25
20
15
10
5
0
0
2
4
6
8
10
12
Geschwindigkeit [m/s]
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
9
Windenergienutzung
Im Wind enthaltene Leistung
P


2
 Ac
3
=Betz Formel mit 16/27
Schubkräfte
FS    A  c2
Wofür wichtig? Mastauslegung
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
10
Auswertung der Messwerte




Windgeschwindigkeitsverlauf über einen
Tag und höchste Geschwindigkeiten
Häufigkeitsverteilung
Windrichtung
Jahresgang
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
11
Windgeschwindigkeitsverlauf an einem
Tag

Geschwindigkeitsunterschiede am Tag und
Nacht
In der Regel: Nacht kleinere Windgeschw. (vielleicht wg. Thermik)
Windgeschwindigkeitsverhältnis am 12.11.2010 auf 22,25 m
Windgeschwindigkeitsverlauf am 23.02.2011 auf 22,25 m
9.0
7.0
8.0
6.0
7.0
Windgeschwindigkeit [m/s]
Windgeschwindigkeit [m/s]
5.0
4.0
3.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
2.0
1.0
1.0
0.0
00:00
02:24
04:48
07:12
09:36
12:00
Uhrzeit
14:24
16:48
19:12
21:36
00:00
0.0
0:00
2:24
4:48
7:12
9:36
12:00
14:24
16:48
19:12
21:36
Uhrzeit
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
12
0:00
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
40
35
relative Häufigkeit [%]
30
25
20
15
10
5
1
2
4
5
6
7
8
9
Kleinwindanlagen - Untersuchung
ihrer3 Eignung
auf einem
Gebäude
der Fachhochschule
Düsseldorf
Windgeschwindigkeitsklasse
Bachelorthesis
S.Kröll
13
0
Windrichtung
Windrichtungsverteilung
Nord



Windrichtung wird in 8
Klassen unterteilt
jede Klasse entspricht
einem Bereich von 45°
die Hauptwindrichtung
beträgt Südwest
1
20.0
8
15.0
2
10.0
5.0
3
West
0.0
7
4
6
5
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
14
Jahresgang

Jahresgang gibt den Geschwindigkeitsverlauf
über ein Jahr an (Monatsmittelung)
Jahresgang der mittleren Windgeschwindigkeit
4.00
Ausreißer – Fehler Messtechnik
3.50
Windgeschwindigkeit [m/s]
3.00
2.50
2.00
1.50
1.00
0.50
0.00
Sep
Okt
Nov
Dec
Jan
Feb
März
April
Mai
Juni
Juli
Aug
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Jahresgang
Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit
Bachelorthesis
S.Kröll
15
Monat
CFD Simulation






Geometrie
Netzgenerierung
Setup
Erstellung der Randbedingungen
Ergebnis
Problematik
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
16
CFD Simulation Geometrie



Erstellung des
Geländes über CAD
Programm
Grundkörper
Oktagon wegen der
8 Windrichtungen
Änderung an der
Geometrie
Wie wurden Gebäude vermessen?
Stativ Lasergerät
Hilton
FH Neubau
Messstation
Arbeitsamt
Abbildung Fehler! Kein Text mit angegebener Formatvorlage im Dokument..1: Simulationsgelände Ansys
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
17
CFD Simulation Netzgenerierung



Automatische
Netzgenerierung
(unstrukturierte
Tetraeder)
Einfügen von
Prismenschichten
(Netzverfeinerung am
Boden und
Gebäudewänden)
Kleinstes Y+ bedeutet
wandnächste Schicht
bei …
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
18
CFD Simulation Setup


Festlegung der Ein- und Austritte
Definition der Randbedingungen
Eintrittswindgeschwindigkeit
Turbulenzmodell
Reibung an Wänden
keine Reibung am Himmel (welche Höhe?)
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
19
CFD Simulation Erstellung der
Randbedingungen
Ausbildung der
Bodengrenzschicht
im Anlauf
 Ermittlung der
Eintrittswindgeschwindigkeit
(mittlere
Eintrittsgeschw. ?)

Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
20
CFD Simulation Ergebnis
Wo liegt der Messort?

Darstellung des
Strömungsverlaufes
im Simulationsgebiet
und der
Windverhältnisse an
einzelnen Punkten
Sekundärströmungsgebiete/Nachläufe der umströmten Gebäude
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
21
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
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
22
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)
Kleinwindanlagen - Untersuchung ihrer Eignung auf einem Gebäude der Fachhochschule Düsseldorf
Bachelorthesis
S.Kröll
23