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Aerodynamik von Windkraftanlagen mit horizontaler Achse

Dem Wind kinetische Energie entziehen

Eine Windkraftanlage ist eine Vorrichtung zum Extrahieren der KinetikEnergie aus dem Wind. Durch Abnahme eines Teils seiner kinetischen Energie muss der Wind langsamer werden, jedoch wird nur die Luftmasse beeinflusst, die durch die Rotorscheibe strömt.

Angenommen, die betroffene Luftmasse bleibt erhaltengetrennt von der Luft, die nicht durch die Rotorscheibe strömt und sich nicht verlangsamt, kann eine Grenzfläche gezogen werden, die die betroffene Luftmasse enthält, und diese Grenze kann sowohl stromaufwärts als auch stromabwärts erweitert werden, wobei ein langes Strömungsrohr mit kreisförmigem Querschnitt gebildet wird. Es strömt keine Luft über die Grenze, und daher ist der Massenstrom der Luft, die entlang des Strömungsrohrs strömt, für alle strömungsweisen Positionen entlang des Strömungsrohrs gleich.

Da sich die Luft im Strömungsrohr verlangsamt, aber nicht komprimiert wird, muss sich die Querschnittsfläche des Strömungsrohrs ausdehnen, um sich der langsameren Luft anzupassen (Abbildung 1).

Obwohl kinetische Energie dem entzogen wirdLuftströmung ist eine plötzliche Geschwindigkeitsänderung aufgrund der enormen Beschleunigungen und Kräfte, die dies erfordern würde, weder möglich noch wünschenswert. Druckenergie kann jedoch stufenweise abgeführt werden, und alle Windenergieanlagen, unabhängig von ihrer Auslegung, arbeiten auf diese Weise.

Abbildung 1 Das Energiegewinnungsstromrohr einer Windkraftanlage

Abbildung 1 Das Energiegewinnungsstromrohr einer Windkraftanlage

Das Vorhandensein der Turbine bewirkt, dass sich die heranströmende Luft stromaufwärts allmählich verlangsamt, so dass, wenn die Luft die Rotorscheibe erreicht, ihre Geschwindigkeit bereits niedriger ist als die freie Windgeschwindigkeit.

Das Strömungsrohr dehnt sich als Ergebnis ausVerlangsamung, und weil noch keine Arbeit an oder durch die Luft durchgeführt wurde, steigt ihr statischer Druck an, um die Abnahme der kinetischen Energie zu absorbieren. Wenn die Luft durch die Rotorscheibe strömt, nimmt der statische Druck konstruktionsbedingt ab, so dass die Luft beim Verlassen unter dem Atmosphärendruck liegt. Die Luft strömt dann mit reduzierter Geschwindigkeit und statischem Druck stromabwärts - dieser Strömungsbereich wird als Nachlauf bezeichnet.

Schließlich weit stromabwärts der statische DruckIm Anschluss muss das atmosphärische Niveau wieder erreicht werden, um das Gleichgewicht zu erreichen. Der statische Druckanstieg geht zu Lasten der kinetischen Energie und bewirkt eine weitere Verlangsamung des Windes. Somit gibt es zwischen den Bedingungen weit stromaufwärts und weit entfernt keine Änderung des statischen Drucks, aber die kinetische Energie wird reduziert.

QUELLE: Windenergie-Handbuch von Tony Burton, David Sharpe
Bemerkungen: