Alois P. Schaffarczyk
Einführung in die Windenergietechnik
Vorwort
6
Inhalt
9
1 Die Geschichte der Windenergie (Jos Beurskens)
20
1.1 Einleitung
20
1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890
21
1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890–1930
28
1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930–1960
31
1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: 1960 bis heute
38
Literatur
53
2 Die internationale Entwicklung der Windenergie (Klaus Rave)
55
2.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte
55
2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte
58
2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze
60
2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette
64
2.5 Internationale Perspektiven
66
2.6 Der Ausbau in ausgewählten Ländern
69
2.7 Zur Rolle der EU
71
2.8 Internationale Institutionen und Organisationen
72
2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 – Der globale Blick in die Zukunft
76
2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015
77
Literatur
82
3 Windressourcen, Standortbewertung, Ökologie (Hermann van Radecke)
84
3.1 Einleitung
84
3.2 Windressourcen
84
3.2.1 Globales Windsystem und Bodenrauigkeit
84
3.2.2 Höhenprofil und Rauigkeitslänge
85
3.2.3 Rauigkeitsklassen
88
3.2.4 Höhenlinien und Hindernisse
90
3.2.5 Windressource mit WAsP, WindPRO, Windfarmer
93
3.2.6 Bestimmung Windpotenzial mit Mesoskala-Modellen und Reanalysedaten
95
3.2.6.1 Reanalysedaten
95
3.2.6.2 Windmapping
96
3.2.6.3 Windatlas
99
3.2.6.4 Verifizierung und Zeitreihen
100
3.2.6.5 Anwendungsbereiche
101
3.2.7 Wind im Windpark
102
3.2.8 Häufigkeitsverteilung Wind
105
3.2.9 Standortbewertung und Jahresenergieertrag
107
3.2.10 Referenzertrag und Dauer der erhöhten Vergütung
110
3.3 Schall
112
3.3.1 Einheit dB(A)
112
3.3.2 Schallquelle
114
3.3.3 Ausbreitung durch die Luft
116
3.3.4 Immissionsort und Richtwerte
116
3.3.5 Frequenzanalyse, Tonzuschlag, Impulszuschlag
117
3.3.6 Schallreduktionsmaßnahmen
117
3.3.7 Abstandsregeln
118
3.4 Schatten
119
3.5 Turbulenz
121
3.5.1 Natürliche Umgebungsturbulenz
121
3.5.2 Anlagenspezifische Turbulenz
122
3.6 Zwei Anwenderprogramme zur vollständigen Planung von Windparks
123
3.7 Technische Richtlinien, FGW-Richtlinien und IEC
124
3.8 Umwelteinflüsse, Bundes-Immissionsschutzgesetz und Genehmigungsverfahren
125
3.8.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)
126
3.8.2 Genehmigungsverfahren
126
3.8.3 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)
127
3.8.3.1 Screening
129
3.8.3.2 Standortbezogene Vorprüfung
129
3.8.3.3 Allgemeine Vorprüfung
129
3.8.3.4 UVP-Untersuchungsrahmen
130
3.8.4 Einzelaspekte im Verfahren
130
3.8.4.1 Antrag auf immissionsschutzrechtliche Genehmigung
130
3.8.4.2 Erteilung der Genehmigung
131
3.8.4.3 Schwierigkeiten des Genehmigungsverfahrens
131
3.8.4.4 Geräusche sind Immissionen im Sinne des § 3 (2) BImSchG
131
3.8.4.5 Optische Immissionen: Lichtblitze, periodischer Schattenwurf
132
3.8.4.6 Turbulenzen im Nachlauf von Windenergieanlagen
132
3.8.4.7 Kennzeichnung von WEA als Luftfahrthindernisse
133
3.8.5 Akzeptanz
133
3.8.6 Überwachung und Klärung anlagenspezifischer Daten
133
3.9 Übungsaufgaben
134
3.10 Lösungen zu den Übungsaufgaben
136
Literatur
137
4 Aerodynamik und Blattentwurf (Alois Schaffarczyk)
139
4.1 Zusammenfassung
139
4.2 Einleitung
139
4.3 Horizontalanlagen
140
4.3.1 Allgemeines
140
4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe
140
4.4 Integrale Impulsverfahren
143
4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz'sche Grenzwert
143
4.4.2 Änderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe
145
4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl
145
4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach Glauert
146
4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand
149
4.5 Impulstheorie der Blattschnitte
149
4.5.1 Die Formulierung
149
4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf
151
4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter
151
4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung
152
4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation – CFD
153
4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen
154
4.6 Vertikalanlagen
154
4.6.1 Allgemeines
154
4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren
156
4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren
160
4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel
161
4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ
161
4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren
162
4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor
163
4.7.1 Einleitung
163
4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge
164
4.7.3 Ein Zahlenbeispiel
164
4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren
165
4.7.5 Auswertung
165
4.7.6 Realisierte Fahrzeuge
167
4.7.7 Zusammenfassung: Windautos
169
4.8 Übungsaufgaben
169
Literatur
170
5 Rotorblätter (Lothar Dannenberg)
176
5.1 Einführung
176
5.2 Belastungen der Rotorblätter
177
5.2.1 Belastungsarten
177
5.2.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung
178
5.2.2.1 Koordinatensystem, Vorzeichenregeln
178
5.2.2.2 Schnittlasten (Schnittkräfte und Schnittmomente)
179
5.2.3 Querschnittswerte des Rotorblattes
180
5.2.4 Spannungen und Deformationen
185
5.2.5 Schnittlasten im Rotorblatt
189
5.2.6 Durchbiegung und Neigung
191
5.2.7 Ergebnisse nach der Balkentheorie
192
5.3 Schwingungen und Beulung
192
5.3.1 Schwingungen
192
5.3.2 Beul-/Stabilitätsberechnungen
196
5.4 Finite-Elemente-Berechnungen
197
5.4.1 Spannungsberechnungen
197
5.4.2 FEM-Beulberechnungen
198
5.4.3 FEM-Schwingungsberechnungen
199
5.5 Faserverbundwerkstoffe
200
5.5.1 Einleitung
200
5.5.2 Materialien (Fasern, Harze, Zusatzstoffe, Sandwichmaterialien)
201
5.5.2.1 Fasern
201
5.5.2.2 Harze
203
5.5.2.3 Zusatzstoffe
204
5.5.2.4 Sandwichmaterialien
204
5.5.3 Laminate, Laminateigenschaften
205
5.6 Fertigung von Rotorblättern
208
5.6.1 Strukturteile des Rotorblattes
208
5.6.2 Laminierverfahren für Rotorblätter
210
5.6.3 Zusammenbau des Rotorblattes
211
Literatur
212
6 Der Triebstrang (Sönke Siegfriedsen, Peter Krämer)
213
6.1 Einleitung
213
6.2 Blattwinkelverstellsysteme
213
6.3 Windrichtungsnachführung
220
6.3.1 Allgemein
220
6.3.2 Funktionsbeschreibung
221
6.3.3 Komponenten
222
6.3.4 Anordnungsvarianten von Windrichtungsnachführungen
225
6.4 Triebstrangkomponenten
227
6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen
227
6.4.2 Rotorwelle und Lagerung
228
6.4.3 Getriebe
232
6.4.4 Bremse und Kupplung
235
6.4.5 Generator
238
6.5 Triebstrangkonzepte
240
6.5.1 Direktgetrieben – Doppelte Lagerung
241
6.5.2 Direktgetrieben – Momentenlager
244
6.5.3 1-2-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung
246
6.5.4 1-2-Stufengetriebe – Momentenlagerung
247
6.5.5 3-4-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung
249
6.5.6 3-4-Stufengetriebe – Dreipunktlagerung
251
6.5.7 3-4-Stufengetriebe – Momentenlagerung
252
6.6 Schäden und Schadensursachen
253
6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten
254
6.8 Schutzrechte in der Windenergie
258
Literatur
264
7 Turm und Gründung (Torsten Faber)
265
7.1 Einleitung
265
7.2 Richtlinien und Normen
267
7.3 Beanspruchung von Türmen
267
7.3.1 Ermüdungslasten
267
7.3.2 Extremlasten
269
7.4 Nachweise des Turms
270
7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise
270
7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise
271
7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen)
272
7.5 Konstruktionsdetails
274
7.5.1 Öffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen
275
7.5.2 Ringflanschverbindungen
275
7.5.3 Schweißverbindungen
276
7.6 Werkstoffe für Türme
276
7.6.1 Stahl
277
7.6.2 Beton
278
7.6.3 Holz
278
7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff
278
7.7 Ausführungsformen
279
7.7.1 Rohrtürme
279
7.7.2 Gittermasten
279
7.7.3 Abgespannte Türme
280
7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich
280
7.8 Gründungen von Onshore-WEA
281
7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen
281
7.8.2 Übergang zwischen Turm und Fundament
283
7.8.3 Nachweise für die Gründung
283
Literatur
288
8 Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen (Friedrich Fuchs)
289
8.1 Einführung
289
8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem
291
8.3 Transformator
293
8.3.1 Prinzip, Gleichungen
293
8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm
295
8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild
296
8.3.4 Drehstromtransformatoren
297
8.4 Generatoren für Windenergieanlagen
299
8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer
299
8.4.1.1 Aufbau
300
8.4.1.2 Grundlegende Funktion
300
8.4.1.3 Spannungsgleichungen
301
8.4.1.4 Ersatzschaltbild
302
8.4.1.5 Zeigerdiagramm
302
8.4.1.6 Heylandkreis
303
8.4.1.7 Leistung
305
8.4.1.8 Moment
306
8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer
307
8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer
310
8.4.2.1 Aufbau
311
8.4.2.2 Grundlegende Funktion
311
8.4.2.3 Spannungsgleichungen
312
8.4.2.4 Ersatzschaltbild
312
8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve
313
8.4.2.6 Drehzahlregelung
316
8.5 Synchronmaschinen
318
8.5.1 Generelle Funktion
318
8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild
319
8.5.3 Leistung und Moment
320
8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen
322
8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen
322
8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine
323
8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen
324
8.6.1 Generelle Funktion
325
8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung
325
8.6.2.1 Schaltung
325
8.6.2.2 Pulsweitenmodulation
326
8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung
331
8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen
333
8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurzschlussläufer
334
8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine
339
8.7.3 Regelung der Synchronmaschine
339
8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters
340
8.7.5 Auslegung der Regelung
342
8.8 Einhaltung der Netzanschlussbedingungen
343
8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten
345
8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Übersicht
346
8.11 Übungsaufgaben
347
Literatur
352
9 Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen (Reiner Johannes Schütt)
354
9.1 Grundlegende Zusammenhänge
354
9.1.1 Einordnung der WES-Automation
355
9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA
358
9.1.3 Energiewandlung des Rotors
358
9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs
361
9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems
362
9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA
365
9.2 Regelsysteme der WEA
366
9.2.1 Gierwinkelregelung
367
9.2.2 Blattwinkelregelung
368
9.2.3 Wirkleistungsregelung
369
9.2.4 Blindleistungsregelung
371
9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereiche der WEA
372
9.3 Betriebsführungssysteme für WEA
374
9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA
374
9.3.2 Sicherheitssysteme
377
9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme
378
9.5 Fernbedienung und -überwachung
380
9.6 Kommunikationssysteme für WES
381
Literatur
383
10 Netzintegration (Sven Wanser, Nica Kähler)
385
10.1 Energieversorgungsnetze im Überblick
385
10.1.1 Allgemeines
385
10.1.2 Spannungsebenen der elektrischen Versorgungsnetze
386
10.1.3 Netzstrukturen
386
10.2 Netzregelung
389
10.2.1 Regelleistung
389
10.2.2 Ausgleichsenergie und Bilanzkreise
389
10.2.3 Grundlast, Mittellast und Spitzenlast
390
10.2.4 Frequenzhaltung
392
10.2.5 Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve
393
10.2.6 Spannungshaltung
394
10.2.7 Systemdienstleistungen durch Erzeugungsanlagen
395
10.3 Grundbegriffe zur Netzintegration von Erzeugungsanlagen
396
10.3.1 Elektrische Grundbegriffe
397
10.3.2 Netzqualität
401
10.4 Netzanschluss für WEA
404
10.4.1 Bemessung der Netzbetriebsmittel
405
10.4.2 Überprüfung der Spannungsänderung/Spannungsband
408
10.4.3 Überprüfung der Netzrückwirkung
411
10.4.4 Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit
412
10.5 Netzanbindungen von WEA
413
10.5.1 Schaltanlagen
414
10.5.2 Schutzeinrichtungen
415
10.5.3 Einbindung in das Netzleitsystem
417
10.6 Weitere Entwicklungen in der Netzintegration und Ausblick
417
10.6.1 Netzausbau
417
10.6.2 Lastverschiebung
420
10.6.3 Energiespeicherung
420
Literatur
421
11 Offshore-Windenergie (Lothar Dannenberg, Christian Keindorf)
423
11.1 Einführung
423
11.1.1 Historie und Entwicklungstrends
423
11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA
424
11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks
425
11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit
426
11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks
427
11.2.1 Turbinen für OWEA
427
11.2.2 Tragstrukturen für OWEA
428
11.2.2.1 Turm
428
11.2.2.2 Transition Piece
429
11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA
429
11.2.3.1 Monopile-Gründung
430
11.2.3.2 Schwerkraftgründungen
431
11.2.3.3 Jacket-Gründung
431
11.2.3.4 Tripod-Gründung
432
11.2.3.5 Tripile-Gründung
432
11.2.3.6 Suction-Buckets
433
11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA
434
11.2.4.1 Spar Buoy
434
11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP)
435
11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform)
436
11.2.5 Offshore-Stationen
436
11.2.6 Seekabel
436
11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten
437
11.3 Einwirkungen auf OWEA
438
11.3.1 Ständige Einwirkungen
439
11.3.2 Aerodynamische Lasten
440
11.3.3 Hydrostatische Lasten
440
11.3.4 Hydrodynamische Lasten
441
11.3.4.1 Strömungen
441
11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen
441
11.3.4.3 Wellen
443
11.3.4.4 Lineare Wellentheorien
445
11.3.4.5 Nichtlineare Wellentheorien
450
11.3.4.6 Belastungen durch Wellen
452
11.3.4.7 Regelmäßiger Seegang
456
11.3.4.8 Unregelmäßiger oder natürlicher Seegang
456
11.3.4.9 Seegangsspektren
457
11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur
462
11.3.6 Einwirkungen infolge Eis
462
11.3.7 Funktionale Einwirkungen
463
11.3.8 Außergewöhnliche Einwirkungen
464
11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie
464
11.4.1 Entwurfsgrundlagen
464
11.4.2 Standortbedingungen
465
11.4.2.1 Meterologische und ozeanographische Bedingungen
465
11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften
465
11.4.2.3 Kolkbildung
469
11.4.2.4 Eisbildung
471
11.4.2.5 Mariner Bewuchs
471
11.4.2.6 Korrosion
472
11.4.3 Sicherheitskonzept
474
11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte
474
11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen
474
11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände
475
11.4.3.4 Bemessungskonzept
476
11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen
476
11.4.5 Berechnungsmethoden
477
11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände
478
11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit
479
11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung
479
11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
480
11.4.6.4 Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung
481
11.4.6.5 Weitere Nachweise
481
Literatur
481
Index
483
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