Windenergie STE

Windenergie ist eine der wichtigsten erneuerbaren Energiequellen für die Stromerzeugung. Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie der Luftbewegung mithilfe von Rotorblättern und Generatoren in elektrische Energie um. Das Verständnis der physikalischen Prinzipien hinter der Umwandlung von Windenergie ist für Schülerinnen und Schüler, Auszubildende und Studenten, die sich mit Elektrotechnik und erneuerbaren Energien befassen, von grundlegender Bedeutung.

Die Leistung eines Windgenerators hängt von vielen Faktoren ab, darunter Windgeschwindigkeit, Rotorblattdesign, Blattwinkel, Anzahl der Blätter, Rotorausrichtung und die an den Generator angeschlossene elektrische Last. Jeder dieser Parameter beeinflusst die Energieumwandlungseffizienz und die Leistungsabgabe auf unterschiedliche Weise.

In diesen Experimenten untersuchen die Schülerinnen und Schüler die grundlegenden Zusammenhänge, die die Leistung von Windgeneratoren bestimmen. Sie messen Spannung, Strom, Leistung und Drehzahl unter verschiedenen Bedingungen und analysieren, wie sich Änderungen an der Turbinenkonfiguration oder der Betriebsumgebung auf die elektrische Leistung auswirken. Die Experimente reichen von grundlegenden Energiebilanzberechnungen bis hin zu fortgeschritteneren Themen wie der Aerodynamik der Flügel, der Blattverstellung und den praktischen Überlegungen zum Design von Windparks.

In den Experimenten werden die folgenden Themen untersucht:

• Energiebilanz und Wirkungsgrad (Leistungskoeffizient)
• Drehzahl und Spitzenwindgeschwindigkeitsverhältnis
• Spannungs- und Stromkennlinien unter Last
• Vergleich der Rotortypen (Savonius und horizontale Achse)
• Auswirkung der Windgeschwindigkeit auf die Leistungsabgabe
• Auswirkung der Windrichtung (Gierwinkel)
• Auswirkung der Anzahl der Flügel auf die Leistung
• Vergleich von optimierten und flachen Blattprofilen
• Auswirkung des Blattneigungswinkels
• Auswirkung von Hindernissen auf die Leistungsabgabe
• Volllaststunden und jährlicher Energieertrag

Versuchsziele

• Verständnis des Energieumwandlungsprozesses in Windkraftanlagen
• Berechnung des Wirkungsgrads und des Leistungskoeffizienten einer Windkraftanlage
• Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen Windgeschwindigkeit und elektrischer Leistung
• Vergleich verschiedener Rotorkonstruktionen und Blattkonfigurationen
• Die Bedeutung der Rotorausrichtung und der Pitchregelung verstehen
• Analysieren Sie den Einfluss von Umweltfaktoren auf die Leistung von Windkraftanlagen
• Messverfahren unter Verwendung von Spannungs-, Strom- und Drehzahlsensoren anwenden
• Bewerten Sie die Leistung von Windkraftanlagen anhand des Konzepts der Volllaststunden

Zielgruppe

Die Experimente sind für Schülerinnen und Schüler, Auszubildende und Studenten konzipiert, die sich mit erneuerbaren Energiesystemen und Elektrotechnik befassen. Sie bieten praktische Erfahrungen mit echten Messgeräten und die praktische Untersuchung physikalischer Prinzipien. Die Experimente sind für Schülerinnen und Schüler der Sekundarstufe und Auszubildende geeignet.