Einführung in die Windenergietechnik

Vorwort

Inhalt

1 Die Geschichte der Windenergie (Jos Beurskens)

1.1 Einleitung

1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890

1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890–1930

1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930–1960

1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: 1960 bis heute

Literatur

2 Die internationale Entwicklung der Windenergie (Klaus Rave)

2.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte

2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte

2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze

2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette

2.5 Internationale Perspektiven

2.6 Der Ausbau in ausgewählten Ländern

2.7 Zur Rolle der EU

2.8 Internationale Institutionen und Organisationen

2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 – Der globale Blick in die Zukunft

2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015

Literatur

3 Windressourcen, Standortbewertung, Ökologie (Hermann van Radecke)

3.1 Einleitung

3.2 Windressourcen

3.2.1 Globales Windsystem und Bodenrauigkeit

3.2.2 Höhenprofil und Rauigkeitslänge

3.2.3 Rauigkeitsklassen

3.2.4 Höhenlinien und Hindernisse

3.2.5 Windressource mit WAsP, WindPRO, Windfarmer

3.2.6 Bestimmung Windpotenzial mit Mesoskala-Modellen und Reanalysedaten

3.2.6.1 Reanalysedaten

3.2.6.2 Windmapping

3.2.6.3 Windatlas

3.2.6.4 Verifizierung und Zeitreihen

3.2.6.5 Anwendungsbereiche

3.2.7 Wind im Windpark

3.2.8 Häufigkeitsverteilung Wind

3.2.9 Standortbewertung und Jahresenergieertrag

3.2.10 Referenzertrag und Dauer der erhöhten Vergütung

3.3 Schall

3.3.1 Einheit dB(A)

3.3.2 Schallquelle

3.3.3 Ausbreitung durch die Luft

3.3.4 Immissionsort und Richtwerte

3.3.5 Frequenzanalyse, Tonzuschlag, Impulszuschlag

3.3.6 Schallreduktionsmaßnahmen

3.3.7 Abstandsregeln

3.4 Schatten

3.5 Turbulenz

3.5.1 Natürliche Umgebungsturbulenz

3.5.2 Anlagenspezifische Turbulenz

3.6 Zwei Anwenderprogramme zur vollständigen Planung von Windparks

3.7 Technische Richtlinien, FGW-Richtlinien und IEC

3.8 Umwelteinflüsse, Bundes-Immissionsschutzgesetz und Genehmigungsverfahren

3.8.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)

3.8.2 Genehmigungsverfahren

3.8.3 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)

3.8.3.1 Screening

3.8.3.2 Standortbezogene Vorprüfung

3.8.3.3 Allgemeine Vorprüfung

3.8.3.4 UVP-Untersuchungsrahmen

3.8.4 Einzelaspekte im Verfahren

3.8.4.1 Antrag auf immissionsschutzrechtliche Genehmigung

3.8.4.2 Erteilung der Genehmigung

3.8.4.3 Schwierigkeiten des Genehmigungsverfahrens

3.8.4.4 Geräusche sind Immissionen im Sinne des § 3 (2) BImSchG

3.8.4.5 Optische Immissionen: Lichtblitze, periodischer Schattenwurf

3.8.4.6 Turbulenzen im Nachlauf von Windenergieanlagen

3.8.4.7 Kennzeichnung von WEA als Luftfahrthindernisse

3.8.5 Akzeptanz

3.8.6 Überwachung und Klärung anlagenspezifischer Daten

3.9 Übungsaufgaben

3.10 Lösungen zu den Übungsaufgaben

Literatur

4 Aerodynamik und Blattentwurf (Alois Schaffarczyk)

4.1 Zusammenfassung

4.2 Einleitung

4.3 Horizontalanlagen

4.3.1 Allgemeines

4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe

4.4 Integrale Impulsverfahren

4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz'sche Grenzwert

4.4.2 Änderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe

4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl

4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach Glauert

4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand

4.5 Impulstheorie der Blattschnitte

4.5.1 Die Formulierung

4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf

4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter

4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung

4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation – CFD

4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen

4.6 Vertikalanlagen

4.6.1 Allgemeines

4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren

4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren

4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel

4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ

4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren

4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor

4.7.1 Einleitung

4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge

4.7.3 Ein Zahlenbeispiel

4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren

4.7.5 Auswertung

4.7.6 Realisierte Fahrzeuge

4.7.7 Zusammenfassung: Windautos

4.8 Übungsaufgaben

Literatur

5 Rotorblätter (Lothar Dannenberg)

5.1 Einführung

5.2 Belastungen der Rotorblätter

5.2.1 Belastungsarten

5.2.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung

5.2.2.1 Koordinatensystem, Vorzeichenregeln

5.2.2.2 Schnittlasten (Schnittkräfte und Schnittmomente)

5.2.3 Querschnittswerte des Rotorblattes

5.2.4 Spannungen und Deformationen

5.2.5 Schnittlasten im Rotorblatt

5.2.6 Durchbiegung und Neigung

5.2.7 Ergebnisse nach der Balkentheorie

5.3 Schwingungen und Beulung

5.3.1 Schwingungen

5.3.2 Beul-/Stabilitätsberechnungen

5.4 Finite-Elemente-Berechnungen

5.4.1 Spannungsberechnungen

5.4.2 FEM-Beulberechnungen

5.4.3 FEM-Schwingungsberechnungen

5.5 Faserverbundwerkstoffe

5.5.1 Einleitung

5.5.2 Materialien (Fasern, Harze, Zusatzstoffe, Sandwichmaterialien)

5.5.2.1 Fasern

5.5.2.2 Harze

5.5.2.3 Zusatzstoffe

5.5.2.4 Sandwichmaterialien

5.5.3 Laminate, Laminateigenschaften

5.6 Fertigung von Rotorblättern

5.6.1 Strukturteile des Rotorblattes

5.6.2 Laminierverfahren für Rotorblätter

5.6.3 Zusammenbau des Rotorblattes

Literatur

6 Der Triebstrang (Sönke Siegfriedsen, Peter Krämer)

6.1 Einleitung

6.2 Blattwinkelverstellsysteme

6.3 Windrichtungsnachführung

6.3.1 Allgemein

6.3.2 Funktionsbeschreibung

6.3.3 Komponenten

6.3.4 Anordnungsvarianten von Windrichtungsnachführungen

6.4 Triebstrangkomponenten

6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen

6.4.2 Rotorwelle und Lagerung

6.4.3 Getriebe

6.4.4 Bremse und Kupplung

6.4.5 Generator

6.5 Triebstrangkonzepte

6.5.1 Direktgetrieben – Doppelte Lagerung

6.5.2 Direktgetrieben – Momentenlager

6.5.3 1-2-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung

6.5.4 1-2-Stufengetriebe – Momentenlagerung

6.5.5 3-4-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung

6.5.6 3-4-Stufengetriebe – Dreipunktlagerung

6.5.7 3-4-Stufengetriebe – Momentenlagerung

6.6 Schäden und Schadensursachen

6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten

6.8 Schutzrechte in der Windenergie

Literatur

7 Turm und Gründung (Torsten Faber)

7.1 Einleitung

7.2 Richtlinien und Normen

7.3 Beanspruchung von Türmen

7.3.1 Ermüdungslasten

7.3.2 Extremlasten

7.4 Nachweise des Turms

7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise

7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise

7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen)

7.5 Konstruktionsdetails

7.5.1 Öffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen

7.5.2 Ringflanschverbindungen

7.5.3 Schweißverbindungen

7.6 Werkstoffe für Türme

7.6.1 Stahl

7.6.2 Beton

7.6.3 Holz

7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff

7.7 Ausführungsformen

7.7.1 Rohrtürme

7.7.2 Gittermasten

7.7.3 Abgespannte Türme

7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich

7.8 Gründungen von Onshore-WEA

7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen

7.8.2 Übergang zwischen Turm und Fundament

7.8.3 Nachweise für die Gründung

Literatur

8 Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen (Friedrich Fuchs)

8.1 Einführung

8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem

8.3 Transformator

8.3.1 Prinzip, Gleichungen

8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm

8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild

8.3.4 Drehstromtransformatoren

8.4 Generatoren für Windenergieanlagen

8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer

8.4.1.1 Aufbau

8.4.1.2 Grundlegende Funktion

8.4.1.3 Spannungsgleichungen

8.4.1.4 Ersatzschaltbild

8.4.1.5 Zeigerdiagramm

8.4.1.6 Heylandkreis

8.4.1.7 Leistung

8.4.1.8 Moment

8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer

8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer

8.4.2.1 Aufbau

8.4.2.2 Grundlegende Funktion

8.4.2.3 Spannungsgleichungen

8.4.2.4 Ersatzschaltbild

8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve

8.4.2.6 Drehzahlregelung

8.5 Synchronmaschinen

8.5.1 Generelle Funktion

8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild

8.5.3 Leistung und Moment

8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen

8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen

8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine

8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen

8.6.1 Generelle Funktion

8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung

8.6.2.1 Schaltung

8.6.2.2 Pulsweitenmodulation

8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung

8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen

8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurzschlussläufer

8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine

8.7.3 Regelung der Synchronmaschine

8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters

8.7.5 Auslegung der Regelung

8.8 Einhaltung der Netzanschlussbedingungen

8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten

8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Übersicht

8.11 Übungsaufgaben

Literatur

9 Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen (Reiner Johannes Schütt)

9.1 Grundlegende Zusammenhänge

9.1.1 Einordnung der WES-Automation

9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA

9.1.3 Energiewandlung des Rotors

9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs

9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems

9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA

9.2 Regelsysteme der WEA

9.2.1 Gierwinkelregelung

9.2.2 Blattwinkelregelung

9.2.3 Wirkleistungsregelung

9.2.4 Blindleistungsregelung

9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereiche der WEA

9.3 Betriebsführungssysteme für WEA

9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA

9.3.2 Sicherheitssysteme

9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme

9.5 Fernbedienung und -überwachung

9.6 Kommunikationssysteme für WES

Literatur

10 Netzintegration (Sven Wanser, Nica Kähler)

10.1 Energieversorgungsnetze im Überblick

10.1.1 Allgemeines

10.1.2 Spannungsebenen der elektrischen Versorgungsnetze

10.1.3 Netzstrukturen

10.2 Netzregelung

10.2.1 Regelleistung

10.2.2 Ausgleichsenergie und Bilanzkreise

10.2.3 Grundlast, Mittellast und Spitzenlast

10.2.4 Frequenzhaltung

10.2.5 Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve

10.2.6 Spannungshaltung

10.2.7 Systemdienstleistungen durch Erzeugungsanlagen

10.3 Grundbegriffe zur Netzintegration von Erzeugungsanlagen

10.3.1 Elektrische Grundbegriffe

10.3.2 Netzqualität

10.4 Netzanschluss für WEA

10.4.1 Bemessung der Netzbetriebsmittel

10.4.2 Überprüfung der Spannungsänderung/Spannungsband

10.4.3 Überprüfung der Netzrückwirkung

10.4.4 Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit

10.5 Netzanbindungen von WEA

10.5.1 Schaltanlagen

10.5.2 Schutzeinrichtungen

10.5.3 Einbindung in das Netzleitsystem

10.6 Weitere Entwicklungen in der Netzintegration und Ausblick

10.6.1 Netzausbau

10.6.2 Lastverschiebung

10.6.3 Energiespeicherung

Literatur

11 Offshore-Windenergie (Lothar Dannenberg, Christian Keindorf)

11.1 Einführung

11.1.1 Historie und Entwicklungstrends

11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA

11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks

11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit

11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks

11.2.1 Turbinen für OWEA

11.2.2 Tragstrukturen für OWEA

11.2.2.1 Turm

11.2.2.2 Transition Piece

11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA

11.2.3.1 Monopile-Gründung

11.2.3.2 Schwerkraftgründungen

11.2.3.3 Jacket-Gründung

11.2.3.4 Tripod-Gründung

11.2.3.5 Tripile-Gründung

11.2.3.6 Suction-Buckets

11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA

11.2.4.1 Spar Buoy

11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP)

11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform)

11.2.5 Offshore-Stationen

11.2.6 Seekabel

11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten

11.3 Einwirkungen auf OWEA

11.3.1 Ständige Einwirkungen

11.3.2 Aerodynamische Lasten

11.3.3 Hydrostatische Lasten

11.3.4 Hydrodynamische Lasten

11.3.4.1 Strömungen

11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen

11.3.4.3 Wellen

11.3.4.4 Lineare Wellentheorien

11.3.4.5 Nichtlineare Wellentheorien

11.3.4.6 Belastungen durch Wellen

11.3.4.7 Regelmäßiger Seegang

11.3.4.8 Unregelmäßiger oder natürlicher Seegang

11.3.4.9 Seegangsspektren

11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur

11.3.6 Einwirkungen infolge Eis

11.3.7 Funktionale Einwirkungen

11.3.8 Außergewöhnliche Einwirkungen

11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie

11.4.1 Entwurfsgrundlagen

11.4.2 Standortbedingungen

11.4.2.1 Meterologische und ozeanographische Bedingungen

11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften

11.4.2.3 Kolkbildung

11.4.2.4 Eisbildung

11.4.2.5 Mariner Bewuchs

11.4.2.6 Korrosion

11.4.3 Sicherheitskonzept

11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte

11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen

11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände

11.4.3.4 Bemessungskonzept

11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen

11.4.5 Berechnungsmethoden

11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände

11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit

11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung

11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit

11.4.6.4 Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung

11.4.6.5 Weitere Nachweise

Literatur

Index