Robert Gasch, Jochen Twele. Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. 4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2005

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1 Robert Gasch, Jochen Twele Windkraftanlagen Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb 4., vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2005 Prof. Dr.-Ing. Robert Gasch Dr.-Ing. Jochen Twele Dr.-Ing. R Bade Dipl.-Ing. W. Conrad Prof. Dr.-Ing. R. Gasch Dr.-Ing. C. Heilmann Dr.-Ing. K, Kaiser Dr.-Ing. R. Kortenkamp Prof. Dr. Dipl.-Ing. M. Kühn Dipl.-Ing. W. Langreder Dipl.-Ing. J. Liersch Dr.-Ing. J. Maurer Dr.-Ing. A. Reuter Dipl.-Ing. M. Schubert Dipl.-Ing. B. Sundermann Prof. Dr. A. Stoffel Dr.-Ing. J. Twele Herausgeber: Technische Universität Berün Technische Universität Berlin Verfasser: SUZLON Energy GmbH TU Berlin Deutsche WindGuard Dynamics GmbH Aero- & Structural Dynamics SUZLON Energy GmbH Universität Stuttgart wind-solutions GmbH Deutsche WindGuard Dynamics GmbH SFEGmbH RSBConsultGmbH REpower Systems AG GE Wind GmbH FH Köln ecofys GmbH Teubner

2 Inhalt 0 Fragebogen von Max Frisch 1 Einleitung Windenergie im Jahr Energie- und Strombedarf Energiepolitische Instrumente der Regierungen Technologische Entwicklung 13 2 Aus der Geschichte der Windräder Windräder mit vertikaler Achse Windräder mit horizontaler Achse Von der Bockwindmühle zur Westernmill Technische Neuerungen Beginn und Ende des Zeitalters der Windkraftnutzung im Abendland Die Zeit nach dem ersten Weltkrieg bis Ende der 60er Jahre Die Renaissance der Windenergie nach Die Physik der Windenergienutzung Windleistung Widerstandsläufer Auftriebsnuteende Windräder Vergleich von Widerstands- und Auftriebsläufer 46 3 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen Rotor Rotorblatt Nabe Blattwinkelverstellung Triebstrang Aufbau 77

3 XIII Getriebe Kupplungen und Bremsen Generatoren Hilfsaggregate und sonstige Einrichtungen Wind ri cht ungsnachführung Kühlung und Heizung Blitzschulz Hebezeuge Sensorik Turm und Fundament Turm Fundament Fertigung Daten von Windkraftanlagen Der Wind Entstehung des Windes Globale Windsysteme Gcostrophischer Wind Lokale Winde Atmosphärische Grenzschicht Bodennahe Grenzschicht Höhenprofil des Windes Turbulenzintensität Darstellung der gemessenen Windgeschwindigkeiten im Zeitbereich durch Histogramm und Verteilungsfunktion Spektrale Darstellung des Windes Ennittlung von Leistung, Ertrag und Belastungsgrößen Ertragsabschätzung mit Hilfe der Histogramme von Windgeschwindigkeit und Leistung Ertragsemiittlung aus Weibull und Leistungskennlinie Vermessung der Leistungskurve 151

4 XIV Ertragsabschätzung eines Windparks Belastungsgrößcn Windmessung und Auswertung Schalenkreuzanemometcr Ultraschallanemometer SODAR Prognosemethoden Wind Atlas Analysis and Application Programme Meso-Scale Modelle Measure-Correlate-Predict-Methode Auslegung von Windturbinen nach Betz und Schmitz Was lässt sich aus dem Wind an Leistung entnehmen? Froude-Rankinesches Theorem Die Tragflügeltheorie Anströmverhältnisse und Luftkräfte am rotierenden Flügel Winddreiecke Luftkräfte am rotierenden Flügel Die Betzsche Optimalauslegung Verluste Profilverluste Tip-Verluste Drallverluste Die Schmitzsche Auslegung unter Berücksichtigung der Drall verluste Drallverluste Praktisches Vorgehen bei der Dimensionierung von Windturbinen Schlussbemerkung Kennfeldberechnung und Teillastverhalten Berechnungsverfahren (Blattelementmethode) Dimcnsionslose Darstellung der Kennlinien Dimensionslose Kennlinien eines Schnellläufers 222

5 XV 6.4 Dimensionslose Kennlinien eines Langsam lau fers Turbinenkennfelder Anströmverhältnisse Schnellläufer - Langsamläufer: Zusammenfassung Anströmung eines Langsamläufers Anströmung eines Schnellläufers Verhalten von Schnellläufern bei Pitchverstellung Erweiterung des Berechnungsverfahrens Anlaufbereich X < Xj\ (hohe Auftriebsbeiwerte) Leerlaufbereich X > ÄA (Glauerts empirische Formel) Profilwiderstand Erweiterte Iteration Grenzen der Blattelementmethode und dreidimensionale Berechnungsverfahren Veränderung der Profilpolare durch 3D-Effekte Instationäre Effekte in der Nähe des Strömungsabrisses Singularitätenverfahren Numerische Strömungssimulation bei Windkraftanlagen Beispiele für CFD bei Windkraftanlagen Hinweise zur CFD-Berechnung von Windkraftanlagen Modellgesetze und Ähnlichkeitsregeln Anwendungen der Ähnlichkeitstheorie Biegespannungen Zugspannungen in der Flügelwurzel aus den Fliehkräften Biegespannungen in der Flügelwurzel aufgrund des Gewichts Veränderung der Eigenfrequenzen des Flügels und der Frequenzverhältnisse Luftkraftdämpfungen Grenzen des Skalierens - Wie groß können Windturbinen werden? 279

6 Strukturdynamik Dynamische Anregungen Massen-, Trägheits- und Gewichtskräfte Aerodynamische und hydrodynamische Lasten !.3 Transiente Anregungen aus Manövern und durch Störungen Freie und erzwungene Schwingungen von Windturbinen - Beispiele, Phänomenologie Turm-Gondel-Dynamik Blattschwingungen Trieb Strangschwingungen Teilmodelle - Gesamtsystem Instabilitäten und weitere aeroelastisehe Probleme Simulation der Gesamtdynamik Modellbildung in Simulationsprogrammen Einsatz von Simulationsprogrammen Validierung durch Messungen 313 Richtlinien und Nachweisverfahren Zertifizierung Richtlinien zur Zertifizierung: 1EC Richtlinie für die Zertifizierung von Windenergieanlagen des Germanischen Lloyd Die "Guidelines for Design of Wind Turbines" des DNV Richtlinie für Windenergieanlagen, Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung (DIBt-Richtlinie) Sonstige Normen und Richtlinien Windklassen und Standortkategorien Lastfalldefmitionen Nachweiskonzepte Grenzzustand der Tragfähigkeit und das Konzept der partiellen Sicherheitsfaktoren Gebrauchstauglichkeitsnachweis 322

7 XVII Grundlagen des Betriebsfestigkeitsnachweises Beispielnachweis Stahlrohrturm - einachsiger Spannungszustand und isotropes Material Tragfähigkeitsnachweis, Nachweis Extremlasten Nachweis der Betriebsfestigkeit Gebrauchstauglichkeitsnachweis, Nachweis der Eigenfrequenz Nachweis der Rotornabe für mehrachsigen Spannungszustand und isotropes Material Geometrische Auslegung Tragfähigkeitsnachweis - Verfahren der kritischen Schnittebenen Betriebsfestigkeitsnachweis - verfahrensabhängige Wohlerlinicn Nachweis der Rotorblätter für einachsigen Spannungszustand und orthotropes Material Konzept der zulässigen Dehnung zum Nachweis der Gurte Lokales Bauteil versagen Material aus wähl und Fertigungsverfahren Windpumpsysteme Charakteristische Anwendungen Bauarten windgetriebener Pumpen Zusammenwirken von Windturbine und Pumpe Sinnvolle Kombinationen von Windturbinen und Pumpen Qualitativer Vergleich von Windpumpsystemen mit Kolbenund Kreiselpumpe Auslegung von Windpumpsystemen Ziel der Auslegung Wahl der Nennwindgeschwindigkeit für die Auslegung Auslegung von Windpumpsysteinen mit Kolbenpumpe Auslegung von Windpumpsystemen mit Kreiselpumpe 368

8 11 Windkraftanlagen zur Stromerzeugung - Grundlagen Die Wechsel Strommaschine (Dynamomaschine) Die Wechsel Strommaschine (Dynamomaschine) im Inselbetrieb Erregungsarten, Innen- und Außenpolmaschine Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Netzparallelbetrieb Drehstrommaschinen, ihr Aufbau und die 3-phasige Synchronmaschine Die Drehstrom-Asynchronmaschine Leistungselektronische Komponenten von Windkraflanlagen -Umrichter Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkrattanlagen Möglichkeiten auf den Triebstrang einzuwirken Aerodynamische Beeinflussungsmöglichkeiten Beeinflussung des Triebstrangs durch die Last Sensoren und Aktoren Regler und Regelsysteme Regelungsstrategie einer drehzahlvariablen Anlage mit Blattwinkel Verstellung Zum Reglerentwurf. 432 Anhang I 433 Anhang IT Anlagenkonzepte Netzeinspeisende Anlagen Das Dänische Konzept: Asynchrongencrator zur direkten Netzeinspeisung Direkt einspeisender Asynchrongenerator mit dynamischer Schlupfregelung 453

9 XIX Drehzahlvariable Windkraftanlage mit Synchrongenerator und Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis Drehzahlvariable Windkraftanlage mit doppelt gespeister Asynchronmaschine und Umrichter im Läuferkreis Leistungskurven und Gesamtwirkungsgrade dreier Anlagenkonzcpte - kleiner Vergleich Einzel- und Inselanlagen Batterielader Widerstandsheizung mit Synchrongeneratoren Windpumpsystem mit elektrischer Leistungsübertragung Kleines Inselnetz Asynchrongenerator im Inselnetzbetrieb Verbundanlagcn Wind-Dieselsystem mit Fliehkrattspeicher Wind-Dieselsystem mit gemeinsamer Gleichstromschiene Wind-Diescl-Photovoltaik Verbund (Kleinstnetz) Schlussbemerkung 477 Betrieb von Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz Das elektrische Verbundnetz Struktur des elektrischen Verbundnetzes Netzbetrieb Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz Technische Anforderungen an den Netzanschluss Wechselwirkungen zwischen Netz- und Windkraftanlagenbetrieb - Netzrückwirkungen und Netzverträglichkeit Eigenschaften von Anlagen-Konzepten im Netzbetrieb 495 Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen Planung und Projektierung von Windparks Technische Planungsaspekte Genehmigungsrechtliche Aspekte 503

10 XX Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Bau und Betrieb von Windkraftanlagen Technische Aspekte von Aufbau und Betrieb von Windkraftanlagen Rechtliche Aspekte Wirtschaftlichkeit im Betrieb Einfluss von Nabenhöhe und Anlagenkonzept auf den Ertrag Allgemeine Abschätzung des Jahresertrags mit idealisierter Anlage Offshore-Windparks Umweltbedingungen auf See Entwurfsanforderungen für Offshore-Anlagen Windenergieanlage Tragstruktur und Installation auf See Netzintegration und Layout von Windparks Betrieb und Wartung Wirtschaftlichkeit 55 Stich wor tverzeich nis 563