Diplomarbeit. Oliver Bauch. Eingereicht von: Matr.-Nr Hamburg, Oktober 2004

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1 Vergleichende Untersuchung der Ermüdungsberechnung einer Windenergieanlage mit Bemessungswindlasten nach DIBt (1993 und 2004) und den erlebten Windlasten Diplomarbeit Eingereicht von: Oliver Bauch Matr.-Nr Hamburg, Oktober 2004 Arbeitsbereich Baustatik und Stahlbau Univ. Prof. Dr.-Ing. Uwe Starossek

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3 Vorwort Die vorliegende Diplomarbeit wurde vom Verfasser in Zusammenarbeit mit der Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH (GL Wind) erstellt. Auf diesem Weg möchte ich allen Mitarbeitern des GL Wind meinen Dank aussprechen und mich für das entgegengebrachte Vertrauen und die gute Unterstützung während der Durchführung dieser Diplomarbeit bedanken. Einen besonderen Dank möchte ich Herrn Dr. Torsten Faber, von dem die Idee dieser Diplomarbeit stammt, und Herrn Andreas Kamleitner, meinem unmittelbaren Ansprechpartner und Betreuer bei GL Wind, für Anregungen und Korrekturvorschläge dieser Diplomarbeit aussprechen. Weiterhin bedanke ich mich bei Frau Silke Schwartz, die durch Windsimulationsberechnungen die Durchführung dieser Arbeit überhaupt ermöglicht hat. Auf universitärer Ebene war Herr Professor Dr. Uwe Starossek mein Betreuer und ihm möchte ich für die gute Zusammenarbeit und Unterstützung danken, sowie für Korrekturvorschläge, Anregungen und Bewertung dieser Arbeit. Hamburg, Oktober 2004

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5 Inhaltsverzeichnis I Inhaltsverzeichnis Anhangsverzeichnis...III Abbildungsverzeichnis...IV Tabellenverzeichnis... VII Abkürzungsverzeichnis...IX Symbolverzeichnis... X 1. Einleitung Grundlagen Verfahren zur Ermittlung der Bemessungslasten DIBt-Richtlinie GL-Richtlinie Direkt am Standort gemessene Winddaten Online Monitoring Daten des Deutschen Wetterdienstes Künstliche neuronale Netze World-Wind-Atlas Betriebsfestigkeitsberechnung Periodische Beanspruchungen von WEA Grundlagen der Betriebsfestigkeit Beanspruchbarkeit Beanspruchung Auswertung von simulierten oder gemessenen Zeitreihen Rainflow-Zählung Rayleigh-/Weibull-Verteilungsdichte der Windgeschwindigkeit Lastkollektive Betriebsfestigkeit Berechnungskonzepte Rein experimentelle Ermittlung Nennspannungskonzept Strukturspannungskonzept Konzept der örtlichen elastischen Beanspruchungen Örtliches Konzept Rissfortschrittskonzept Lineare Schadensakkumulations-Hypothese Wöhlerlinie Schadensäquivalentes Rechteck-Kollektiv Bemessungs-WEA Koordinatensysteme... 32

6 II Inhaltsverzeichnis 3. Windverhältnisse in Deutschland Ursachen des Windes Windbedingungen in Deutschland Winddaten Turbulenzen Vergleich der Staudruckzonen in Deutschland Windzonenkarte nach DIN Windzonenkarte nach E DIN , Entwurf Vergleich alter mit neuer Windzonenkarte Reserven für die Restnutzung Winddaten des Deutschen Wetterdienstes Unterschiede der Richtlinien Unterschiede DIBt (1993) und DIBt (2004) Teilsicherheitsbeiwerte auf der Last- und Widerstandseite Mittlere Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe Turbulenzintensität des Windes Kerbfallklassen der Schweißnähte Unterschiede GL (1999) und GL (2003) Teilsicherheitsbeiwerte auf der Last- und Widerstandsseite Mittlere Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe Turbulenzintensität des Windes Kerbfallklassen der Schweißnähte Unterschiede der Typen- und Einzelprüfung Typenprüfung Einzelprüfung Ermüdungsberechnung der Türzarge einer WEA Ermüdungsberechnung nach DIBt (1993) Ermüdungsberechnung nach DIBt (2004) Ermüdungsberechnung nach GL (1999) Ermüdungsberechnung nach GL (2003) Ermüdungsberechnung mit Standortbedingungen Ermüdungsberechnung unter Berücksichtigung der Windrichtungsverteilung Auswertung der Ermüdungsberechnungen DIBt (1993) und DIBt (2004) GL (1999) und GL (2003) Messdaten vom Standort Schlussfolgerungen für die Restnutzungsdauer Zusammenfassung Ausblick Literaturangaben

7 Inhaltsverzeichnis III Anhangsverzeichnis A.1 Entwurf der Richtlinie zur Restnutzung von WEA A.2 Aufgabenstellung A.3 Erklärung

8 IV Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abbildung 2-1: Prinzip des Messaufbaus zur Messung von Biegemomenten im Turm einer WEA [45]. 6 Abbildung 2-2: Gegenüberstellung: Gemessenes Kollektiv, DIBt (vereinfachtes Kollektiv) und Simulation für verschiedene Turbulenzintensitäten [45]... 7 Abbildung 2-3: Stationsnetz des Deutschen Wetterdienstes [6]... 8 Abbildung 2-4: Zonen ähnlicher Windgeschwindigkeit in Deutschland 2001 bezogen auf 50 m Höhe über Grund nach DWD, Kaltschmitt [27] Abbildung 2-5: Jahresmittel der Windgeschwindigkeit von 1950 bis 2000 in einer Höhe von 50 m Abbildung 2-6: Ermüdungsfestigkeit für Stahl (Wöhlerlinie) [9] Abbildung 2-7: Normierte Darstellung des Beanspruchungskollektivs mit Treppung [42] Abbildung 2-8: Rainflow-Zählung, Hysteresen-Zählverfahren und Rainflow-Matrix [43] Abbildung 2-9: Windgeschwindigkeitsverteilung für A s = 9,5 m/s und k = Abbildung 2-10: Mehrstufenkollektiv in halb-logarithmischer Darstellung Abbildung 2-11: Parallel zur Wöhlerlinie laufende Lebensdauerlinie [24] Abbildung 2-12: Turmsegment der Bemessungs-WEA im Bereich des Turmfußes mit Türzarge Abbildung 2-13: Detailzeichnung der Türzarge der Bemessungs-WEA Abbildung 2-14: Turmkopf- und Turmfußkoordinatensystem der betrachteten WEA [21] Abbildung 2-15: Turmkoordinatensystem für das Ansys-Modell Abbildung 3-1: Mittlere monatliche Windgeschwindigkeit in List/Sylt für das Jahr Abbildung 3-2: Höhenabhängigkeit der Windgeschwindigkeit [28] Abbildung 3-3: Rauhigkeitslängen und Rauhigkeitsklassen für verschiedene Oberflächen [25] Abbildung 3-4: Typische Strömungsmuster an speziellen topographischen Formen Abbildung 3-5: Planetarische Strömung in großen Höhen [27] Abbildung 3-6: Windzonen in Deutschland, DIN 4131 [14] Abbildung 3-7: Vorschlag der neuen Windzonenkarte E DIN , Stand 2002, NABau Abbildung 3-8: 50-Jahres Wind in 10 m über Grund nach DIN 4131 und E DIN Abbildung 3-9: Veränderungen des 50-Jahres Windes nach DIN 4131 und E DIN Abbildung 3-10: Mittlere Windgeschwindigkeit in List/Sylt in 12 m Höhe Abbildung 3-11: Mittlere Windgeschwindigkeit in Hamburg-Fuhlsbüttel in 10 m Höhe.. 52 Abbildung 3-12: Mittlere Windgeschwindigkeit in Bremen in 10 m Höhe Abbildung 3-13: Mittlere Windgeschwindigkeit in Rostock-Warnemünde Abbildung 3-14: Mittlere Windgeschwindigkeit in Berlin-Tempelhof in 10 m Höhe Abbildung 3-15: Mittlere Windgeschwindigkeit in Würzburg in 10 m Höhe Abbildung 4-1: Charakteristische Turbulenz des Windes... 63

9 Inhaltsverzeichnis V Abbildung 4-2: Turbulenzintensität in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe nach DIBt (1993) und DIBt (2004) (IEC A und IEC B) Abbildung 4-3: Lastkollektive nach DIBt (1993) und DIBt (2004) für die Schwingbreite M y am Turmfuß für den Betriebsfestigkeitsnachweis Abbildung 4-4: Lastkollektive für die Ermüdungsfestigkeit der Schwingbreite M y nach GL (1999) und GL (2003) am Turmfuß Abbildung 5-1: Dreidimensionales Windfeld nach Hau [25] Abbildung 5-2: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit nach DIBt (1993) Abbildung 5-3: Lastkollektiv der Schwingbreite M y nach DIBt (1993) für die Ermüdungsbeanspruchung am Turmfuß Abbildung 5-4: Ansys-Modell der WEA für den Betriebsfestigkeitsnachweis der Türzarge Abbildung 5-5: Darstellung des vernetzten Modells des Turmausschnittes der Bemessungs-WEA Abbildung 5-6: Infolge der Ermüdungslasten F y, F z und M x hervorgerufene 1. Hauptspannung Abbildung 5-7: 1. Hauptspannung infolge der Ermüdungslasten Abbildung 5-8: 1. Hauptspannung und verformtes Modell infolge der Ermüdungslasten F y, F z und M x.81 Abbildung 5-9: Darstellung der 1. Hauptspannung im Türzargen- und Pufferbereich Abbildung 5-10: Maximale 1. Hauptspannung (MX) im Zargenbereich Abbildung 5-11: Verlauf der 1. Hauptspannung über den freigeschnittenen Bereich aus Abb Abbildung 5-12: Detailzeichnung der Schweißnaht der Türzarge mit Auswertepunkten im Kerbgrund 83 Abbildung 5-13: Ermüdungsfestigkeitskurve für Längsspannungsschwingbreiten [41] Abbildung 5-14: Bauteilwöhlerlinie mit der Steigung m = Abbildung 5-15: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit nach DIBt (2004) Abbildung 5-16: Lastkollektiv der Schwingbreite M y des Betriebsfestigkeitsnachweises nach DIBt (2004) am Turmfuß Abbildung 5-17: 1. Hauptspannung infolge der Ermüdungslasten F y, F z und M x Abbildung 5-18: Maximale 1. Hauptspannung (MX) im Zargenbereich Abbildung 5-19: Verlauf der 1. Hauptspannung über den freigeschnittenen Bereich aus Abb Abbildung 5-20: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit nach GL (2003) Abbildung 5-21: Lastkollektiv der Schwingbreite M y des Betriebsfestigkeitsnachweises nach GL (2003) am Turmfuß Abbildung 5-22: 1. Hauptspannung infolge der Ermüdungslasten F y, F z und M x Abbildung 5-23: Maximale 1. Hauptspannung (MX) im Zargenbereich Abbildung 5-24: Verlauf der 1. Hauptspannung über den freigeschnittenen Bereich aus Abb Abbildung 5-25: Turbulenzintensität mit Messungen von einem küstennahen Standort Abbildung 5-26: 1. Hauptspannung infolge der Ermüdungslasten F y, F z und M x Abbildung 5-27: Maximale 1. Hauptspannung (MX) im Zargenbereich

10 VI Inhaltsverzeichnis Abbildung 5-28: Verlauf der 1. Hauptspannung über den freigeschnittenen Bereich aus Abb Abbildung 5-29: Anteile der Windrichtungsverteilung und Einteilung in Sektoren Abbildung 5-30: Verlauf der Schädigung über den Umfang des Turmquerschnittes Abbildung 5-31: Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit nach DIBt (1993 und 2004) Abbildung 5-32: Lastkollektive der Schwingbreite M y nach der DIBt (1993) und DIBt (2004) Abbildung 5-33: Verlauf von M y über die Turmhöhe nach DIBt (1993) und DIBt (2004) Abbildung 5-34: Lastkollektive der Schwingbreite M y nach der GL (1999) und GL (2003) Abbildung 5-35: Schädigung der Türzarge nach 20 Jahren Abbildung 5-36: Turbulenzintensität in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit Abbildung 5-37: Lastkollektive der Schwingbreite M y am Turmfuß für den Ermüdungsnachweis Abbildung 5-38: Verlauf des schadensäquivalenten Momentes M y über die Turmhöhe Abbildung 5-39: Schädigung in Abhängigkeit von der Spannungsschwingbreite nach DIBt (2004) für m =

11 Inhaltsverzeichnis VII Tabellenverzeichnis Tabelle 2.1: Qualitätsniveau der Datensätze des DWD [7] Tabelle 2.2: Daten der Bemessungs-WEA Tabelle 2.3: Darstellung der Achsen und Schnittgrößen entsprechend der Koordinatensysteme Tabelle 3.1: Näherungswerte für Hellmann-Exponenten α in Abhängigkeit von der Schichtungsstabilität, Kaltschmitt [27] Tabelle 3.2: Windstärke in Beaufort und entsprechende Windgeschwindigkeit Tabelle 3.3: Vergleich der Windzonen nach DIN 4131 und E DIN neu Tabelle 3.4: Darstellung der mittleren Windgeschwindigkeit verschiedener Standorte Tabelle 4.1: Teilsicherheitsbeiwert γ M für Nachweise gegen Ermüdung bei Türmen aus Stahl nach DIBt (1993) Tabelle 4.2: Teilsicherheitsbeiwert γ M für Nachweise gegen Ermüdung bei Türmen aus Stahl nach DIBt (2004) Tabelle 4.3: Gegenüberstellung der Sicherheitsbeiwerte für den Nachweis der Betriebsfestigkeit (Fatigue) nach DIBt (1993) und DIBt (2004) Tabelle 4.4: Ermittlung der Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe nach DIBt (1993) Tabelle 4.5: Ermittlung der Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe nach DIBt (2004) Tabelle 4.6: Vergleich der Windgeschwindigkeit nach DIBt (1993) und DIBt (2004) in Nabenhöhe von 67 m...61 Tabelle 4.7: Grundparameter für die Turbulenzintensität nach IEC [26] Tabelle 4.8: Teilsicherheitsbeiwert γ M für den Betriebsfestigkeitsnachweis bei Türmen aus Stahl nach GL (1999) und GL (2003) Tabelle 5-1: Eingangsparameter der einzelnen Ermüdungsberechnungen Tabelle 5.2: Mittlere Windgeschwindigkeit v M in Nabenhöhe von 67 m nach DIBt (1993) Tabelle 5.3: Weibull-Parameter A s nach DIBt (1993) für Windzone III Tabelle 5.4: Lastfälle des Betriebsfestigkeitsnachweises nach DIBt (1993) Tabelle 5.5: Lineare Interpolation der schadensäquivalenten Turmkopf- und Turmfußlasten Tabelle 5.6: Schädigungsrechnung DIBt (1993) nach Palmgren / Miner (Rechteckkollektiv) Tabelle 5.7: Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe 67 m verschiedener Windzonen nach DIBt (2004). 87 Tabelle 5.8: Lastfälle des Betriebsfestigkeitsnachweises nach DIBt (2004) Tabelle 5.9: Lineare Interpolation der schadensäquivalenten Turmkopf- und Turmfußlasten Tabelle 5.10: Schädigungsrechnung DIBt (2004) nach Palmgren / Miner (Rechteckkollektiv) Tabelle 5.11: Schädigungsrechnung GL (1999) nach Palmgren / Miner (Rechteckkollektiv) Tabelle 5.12: Lastfälle des Betriebsfestigkeitsnachweises nach GL (2003)... 95

12 VIII Inhaltsverzeichnis Tabelle 5.13: Lineare Interpolation der schadensäquivalenten Turmkopf- und Turmfußlasten Tabelle 5.14: Schädigungsrechnung GL (2003) nach Palmgren / Miner (Rechteckkollektiv) Tabelle 5-15: Lastfälle des Betriebsfestigkeitsnachweises nach DIBt (2004) mit Messdaten Tabelle 5.16: Lineare Interpolation der schadensäquivalenten Turmkopf- und Turmfußlasten Tabelle 5.17: Schädigungsrechnung nach Palmgren / Miner (Rechteckkollektiv) mit Messdaten Tabelle 5.18: Darstellung schadensäquivalenter Schwingbreiten verschiedener Turmschnitte nach DIBt (1993) und DIBt (2004) Tabelle 5.19: Vergleich der Lebensdauer und Schädigung nach DIBt (1993) und DIBt (2004) Tabelle 5.20: Vergleich der Lebensdauer und Schädigung nach GL (1999) und GL (2003) Tabelle 5.21: Rechnerisch ermittelte Schädigung der Türzarge nach 20 Jahren

13 Inhaltsverzeichnis IX Abkürzungsverzeichnis Abkürzung Bft DIBt DIN DLC DMS DWD EC FEM GL HCF IEC KNN NABau NCAR NCEP WA S P WEA WMO Bedeutung Beaufort Deutsches Institut für Bautechnik Deutsches Institut für Normung Auslegungslastfall (Design Load Case) Dehnungsmessstreifen Deutscher Wetterdienst Eurocode Finite-Element-Methode Germanischer Lloyd High Cycle Fatigue International Electronical Commission Künstliche neuronale Netze Normenausschuss Bauwesen National Center of Atmospheric Research National Center of Environmental Prediction Wind Atlas Analysis and Application Programme Windenergieanlage(n) World Meteorological Organisation

14 X Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis Lateinische Buchstaben Symbol Einheit Bedeutung A [m²] durchströmte (Rotor-)Fläche A [ - ] Kategorie für höhere Turbulenzintensitätswerte A s [m/s] Skalierungsparameter der Weibull-Verteilung a [ - ] Steigungsparameter (Standardabweichung der Turbulenzintensität) B [ - ] Kategorie für niedrigere Turbulenzintensitätswerte Bft [ - ] Windstärke in Beaufort-Graden D [ - ] Schadenssumme D Turm [m] Durchmesser des Turmes (in der Höhe der Türzarge) H [m] Höhe H E [ - ] Gesamthäufigkeit des schadensgleichen Rechteck-Ersatzkollektivs H i [ - ] absolute Summenhäufigkeit der Obergrenze H i+1 [ - ] absolute Summenhäufigkeit der Untergrenze H ref [m] Referenzhöhe Hz [1/s] Frequenz H Zarge [m] Höhe Oberkante der Türzarge vom Turmfuß h i [ - ] Stufenhäufigkeit I 15 [ - ] charakteristischer Wert der Turbulenzintensität bei 15 m/s I v [ - ] Turbulenzintensität in Nabenhöhe i [m/s] Einheitsvektor in x-richtung j [m/s] Einheitsvektor in y-richtung k [ - ] Formfaktor der Weibull-Verteilung k [m/s] Einheitsvektor in z-richtung kz [m/s] vertikaler Windvektor m [ - ] Steigungsparameter der Wöhlerlinie N [ - ] zulässige Lastspielzahl N A [ - ] Anzahl der Versagensspiele N i [ - ] vorhandenes Spannungsspiel N C [ - ] Spannungsschwingbreite der Kerbfallklasse N D [ - ] Grenzlastspielzahl Dauerfestigkeit N 0 [ - ] Schwingspielzahl für einen Bezugspunkt auf der Wöhlerlinie n [1/min] (Rotor-)Drehzahl

15 Inhaltsverzeichnis XI n [ - ] zur maximalen Spannungsamplitude zugehörige Lastspielzahl P Wi [W] Windleistung q ref [kn/m²] Staudruck S A [N/mm²] Schwingfestigkeitskennwert in Verbindung mit N A S a [N/mm²] Spannungsamplitude S ae [N/mm²] Spannungsamplitude des schadensgleichen Rechteck-Ersatzkollektivs S ai [N/mm²] Spannungsamplitude auf dem Spannungshorizont i S a0 [N/mm²] Spannungsamplitude für einen Bezugspunkt auf der Wöhlerlinie T [a] Lebensdauer in Jahren V hub [m/s] 10-min Mittelwert der Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe v [m/s] Windgeschwindigkeit v ave [m/s] Jahresmittel der Windgeschwindigkeit (entspricht v M ) v H [m/s] mittlere Windgeschwindigkeit in der Höhe H v M [m/s] Jahresmittel der Windgeschwindigkeit v o [m/s] Medianwert der Windgeschwindigkeit v ref [m/s] mittlere Windgeschwindigkeit in der Referenzhöhe H ref v [m/s] Windvektor v h [m/s] horizontaler Windvektor z [mm] Dicke der Schweißnaht z o [m] Rauhigkeitslänge Griechische Buchstaben Symbol Einheit Bedeutung α [ - ] Geländerauhigkeitsexponent (Hellmann-Exponent) σ [N/mm²] Beanspruchung / maximale Spannungsschwingbreite σ C [N/mm²] Festigkeit der Kerbfallklasse σ D [N/mm²] Dauerfestigkeit (der Kerbfallklasse) γ F [ - ] Teilsicherheitsbeiwert der Einwirkungen γ M [ - ] Teilsicherheitsbeiwert der Widerstandsseite ρ L [kg/m³] Luftdichte σ l [m/s] Standardabweichung der longitudinalen Windgeschwindigkeit in Nabenhöhe

16 XII Inhaltsverzeichnis

17 1 Einleitung 1 1. Einleitung Eine Windenergieanlage (WEA) wird während ihrer Nutzungsdauer periodischen Beanspruchungen ausgesetzt, die Ermüdungsschädigungen im Turm hervorrufen. Diese Belastungen werden durch die Windgeschwindigkeit und auftretende Turbulenzen des Windes erzeugt und führen zu Schwingspielzahlen der Größenordnung Daher werden WEA für einen Zeitraum von 20 Jahren bemessen. Die erste Generation von WEA nähert sich dem Ende ihrer planmäßigen Nutzung, und es stellt sich die Frage, wie mit ihnen darüber hinaus verfahren werden soll. Unter diesem Hintergrund soll eine Richtlinie zur Restnutzung von Windenergieanlagen entstehen. Diese Diplomarbeit bildet eine Grundlage der geplanten Richtlinie. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen in einen Entwurf der Richtlinie mit einfließen und sind dem Anhang dieser Arbeit zu entnehmen. Da es sich bei der Windenergiebranche um einen relativ jungen Bereich handelt, führen Erkenntnisse aus dem Betrieb und der Weiterentwicklung von WEA zu Anpassungen und Weiterentwicklungen der Richtlinien. In Deutschland erfolgt die Bemessung einer WEA anhand der Vorgaben des Deutschen Instituts für Bautechnik (DIBt). In dieser Arbeit werden daher in Kapitel 4 Abweichungen der alten und neuen Fassung der DIBt-Richtlinie in Hinblick auf mögliche Reserven der Lebensdauer dargestellt. Anhand dieser Unterschiede werden in Kapitel 5 beispielhaft Ermüdungsberechnungen für das neuralgische Bauteil Türzarge eines Stahlrohrturmes geführt, um auf Reserven sowohl auf der Einwirkungs- als auch auf der Widerstandsseite schließen zu können. Da den Winddaten der Richtlinien häufig konservative Annahmen zu Grunde liegen, wird darüber hinaus ein Nachweis der Betriebsfestigkeit mit am Standort gemessenen Winddaten geführt, um die erlebten Windlasten und daraus resultierende Ermüdungsbeanspruchungen zu berücksichtigen. Der Ermüdungsnachweis erfolgt nach der linearen Schadensakkumulations-Hypothese nach Palmgren/Miner, deren Grundlagen in Kapitel 2 erläutert werden. In dieser Arbeit wird der Nachweis ausreichender Betriebsfestigkeit beispielhaft für das kritische Bauteil Türzarge eines Stahlrohrturmes geführt, nicht für die gesamte WEA. Es soll der Frage nachgegangen werden, ob für eine Restnutzungsbetrachtung eine erneute Bemessung der Anlage anhand der jeweils gültigen Richtlinie sinnvoll erscheint. Es wird daher nicht die maximale Lebensdauer der in dieser Arbeit betrachteten WEA ermittelt. Es handelt sich um eine 2 MW WEA mit einer Nabenhöhe von 67 m.

18 2 1 Einleitung Verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Lastgeschichte einer WEA werden dahingehend untersucht, ob sie sich für eine Restnutzungsbetrachtung eignen. Bei der betrachteten WEA handelt es sich um eine Einzelanlage, und es werden Turbulenzbedingungen, die durch Windparkeinflüsse entstehen können, nicht berücksichtigt. Der Wind und die daraus resultierenden Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen unterliegen täglichen, monatlichen und jährlichen Schwankungen, so dass sich ständig wechselnde Eigenschaften des Windes ergeben. Dadurch hat der Wind entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer einer WEA. In Kapitel 3 werden die Ursachen und Eigenschaften des Windes sowie regionale Besonderheiten dargestellt. Die in Deutschland zu berücksichtigenden Windverhältnisse für die Bemessung von Bauwerken aller Art sind in verschiedenen Normen definiert und basieren auf eine Windzonenkarte, die 1980 erstellt worden ist. In den vergangenen Jahren ist diese Windzonenkarte grundlegend überarbeitet worden und beinhaltet Messergebnisse der vergangenen 50 Jahre. In Abschnitt 3.2 werden diese Veränderungen für verschiedene Standorte dargestellt und auf mögliche Auswirkungen der Lebensdauer einer WEA eingegangen. Besonders in den letzten Jahren beklagen die Betreiber von WEA windschwache Jahre, die zu geringeren Erträgen führen. Anhand von Winddaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) wird für verschiedene Standorte in Abschnitt 3.3 der Frage windschwacher Jahre und daraus mögliche resultierende Reserven der Lebensdauer nachgegangen. In Kapitel 6 werden die in dieser Arbeit gewonnen Erkenntnisse in Hinblick auf die Restnutzung einer WEA diskutiert. Den Abschluss bilden eine Zusammenfassung der Arbeit in Kapitel 7 und ein Ausblick in Kapitel 8.

19 2 Grundlagen 3 2. Grundlagen In diesem Kapitel werden die Grundlagen erläutert, auf denen die Ermüdungsberechnung in Kaptitel 5 beruht. Es werden verschiedene Verfahren vorgestellt, mit denen die Bemessungslasten einer WEA ermittelt werden können. Anschließend wird der Betriebsfestigkeitsnachweis dargestellt und die Vorgehensweise in der Diplomarbeit erläutert. In Abschnitt 2.3 wird die WEA beschrieben, anhand derer die Betriebsfestigkeit mit Vorgaben verschiedener Richtlinien und Standortbedingungen nachgewiesen und verglichen wird, um die Restnutzungsdauer zu ermitteln. 2.1 Verfahren zur Ermittlung der Bemessungslasten Für die Bestimmung der Restnutzungsdauer einer WEA erscheint es wichtig, die tatsächlich erlebte Belastungsgeschichte der Anlage abzubilden. Die Verfahren der gängigen Richtlinien wie z. B. die DIBt-Richtlinie verfolgen konservative Ansätze um die Bemessungslasten abzuschätzen. Daher sollen Möglichkeiten oder Verfahren zur Lastannahme untersucht werden, mit denen eine genauere Abschätzung über die Restlebensdauer einer WEA zu treffen ist, bzw. ob sich durch andere Konzepte möglicherweise Reserven für eine Restnutzung ergeben. Dazu zählen folgende Möglichkeiten: DIBt-Richtlinie GL-Richtlinie direkt am Standort gemessene Winddaten Online Monitoring Daten des Deutschen Wetterdienstes künstliche neuronale Netze World-Wind-Atlas DIBt-Richtlinie Die DIBt-Richtlinie ist eine Richtlinie für Windenergieanlagen, die Vorgaben für die Einwirkungen und Standsicherheitsnachweise für Turm und Gründung enthält und vom Deutschen Institut für Bautechnik (DIBt) herausgegeben worden ist [8], [9]. Die aktuelle Entwurfsfassung basiert auf den Festlegungen von IEC [26] und umfasst nur den bautechnischen Teil einer WEA, berück-

20 4 2 Grundlagen sichtigt allerdings Regelungen über Einwirkungen auf die gesamte WEA. Der maschinenbautechnische Bereich ist nicht Gegenstand der Richtlinie. Es existieren z. Z. eine gültige Fassung der Richtlinie von 1993 [8] im folgenden als DIBt (1993) bezeichnet, die 1995 überarbeitet worden ist, und eine Entwurfsfassung von 2004 [9] im folgenden als DIBt (2004) bezeichnet. Unter der Betrachtung einer Betriebsfestigkeitsberechung ergeben sich einige Unterschiede in den Vorgaben der jeweiligen Fassung der Richtlinie, beispielsweise in der Berücksichtigung der Turbulenzintensität des Windes oder der zu berücksichtigenden Sicherheitsbeiwerte. Eine Vielzahl der heute betriebenen WEA ist entsprechend den Vorgaben nach DIBt (1993) zertifiziert worden. Da wie bereits erwähnt, die anzusetzende Turbulenzintensität einem anderen Wert als nach DIBt (2004) entspricht, werden sich vermutlich unterschiedliche Ergebnisse in der Ermüdungsberechnung ergeben. Dadurch ist vorstellbar, dass eine WEA, die nach der alten Fassung der DIBt bemessen worden ist, durchaus Reserven in der Lebensdauer enthalten aber sich auch eine geringere Nutzungsdauer ergeben kann. Die für einen Betriebsfestigkeitsnachweis maßgebenden Unterschiede werden in Kapitel 4 dargestellt, und in Kapitel 5 eine Vergleichsrechnung einer WEA anhand beider Richtlinien durchgeführt GL-Richtlinie Die Germanische Lloyd WindEnergie GmbH hat eine Richtlinie für die Auslegung, Prüfung und Zertifizierung von WEA in Zusammenarbeit mit dem Fachausschuss Windenergie erarbeitet. Der Fachausschuss setzt sich aus Vertretern von Herstellern von WEA, Hochschulen, Versicherungen, Verbänden, Ingenieurbüros, Behörden und Instituten zusammen. Es existiert eine Fassung der Richtlinie von 1999 [20] im folgenden als GL (1999) bezeichnet und eine Fassung von 2003 [21] im folgenden als GL (2003) bezeichnet. Die aktuell gültige Richtlinie ist die im November 2003 in Kraft getretene GL (2003), die die GL (1999) ersetzt hat. Heutzutage werden WEA nur nach der aktuellen Fassung zertifiziert. Die Grundlagen basieren auf den Vorgaben des IEC [26] und decken darüber hinaus die Bereiche der DIBt-Richtlinien in Deutschland mit ab. Es werden in der GL-Richtlinie Vorgaben für die gesamte WEA gemacht, im Gegensatz zur DIBt- Richtlinie, die sich nur auf Turm und Gründung einer WEA bezieht. Den enthaltenen Lastannahmen für die Bemessung von WEA liegen konservativen Anforderungen zu Grunde und decken damit viele mögliche Standorte von WEA ab, um die meisten Anwendungsfälle erfassen zu können. Es erfolgt eine Einteilung in vier WEA-Klassen, für die jeweils Kennwerte der

21 2 Grundlagen 5 Parameter 50-Jahres Wind, mittlere Windgeschwindigkeit und Turbulenzintensität vorgegeben werden. Um mögliche Reserven für die Restnutzung einer WEA zu erzielen, ist ein Vergleich der z. Z. gültigen Fassung von 2003 und der älteren Fassung, nach der diverse WEA bemessen worden sind, sinnvoll, da diese Unterschiede, beispielsweise in den Lastannahmen, aufweisen. Somit könnte eine Neubemessung einer nach GL (1999) zertifizierten WEA mit der aktuell gültigen GL (2003) zu Reserven in der rechnerisch ermittelten Lebensdauer führen. Die Unterschiede beider Richtlinien für den Betriebsfestigkeitsnachweis sind in Kapitel 4 dargestellt. Die daraus resultierenden Abweichungen werden für den in Kapitel 5 geführten Ermüdungsnachweis der Türzarge der betrachteten WEA berücksichtigt und entsprechend ausgewertet Direkt am Standort gemessene Winddaten Eine Möglichkeit, die tatsächlich aufgetretenen Winddaten in Nabenhöhe zu erfassen liegt darin, diese mit einem Windmast direkt am Standort zu bestimmen. Dabei werden über einen längeren Zeitraum die Windgeschwindigkeiten und -turbulenzen aufgezeichnet und nach einer Auswertung für die Lastannahme verwendet. Für eine aussagekräftige Messreihe wäre allerdings eine Messdauer über mehrere Jahre notwendig, um neben den jahreszeitlichen Schwankungen der Windgeschwindigkeit auch eine Änderung der Windverhältnisse über einzelne Jahre zu berücksichtigen. Da der Wind aus verschiedenen Richtungen weht, wäre es sinnvoll, die Auftretenswahrscheinlichkeit der Windrichtungen anhand von Windrosen aufzuzeichnen, um die realen Belastungen der WEA simulieren zu können. Alternativ können die Winddaten auch an der WEA selbst ermittelt werden. Über Anemometer, die auf der Gondel montiert sind (Gondelanemometer), werden die auftretenden Windgeschwindigkeiten aufgezeichnet und dienen zur Steuerung der Anlage. Es wäre denkbar, diese Daten für eine Ermüdungsberechung heranzuziehen, allerdings wären große Datenmengen zu erfassen und auszuwerten. Darüber hinaus ist die eigentliche Windmessung kritisch zu beurteilen, da die Messung mittels Anemometer auf der Gondel hinter dem Rotor erfolgt. Da die Geschwindigkeit durch die Rotorblätter reduziert wird, wird eine geringere Windgeschwindigkeit aufgezeichnet werden, als vor den Rotorblättern. Dadurch könnte der Schädigungseinfluss vermutlich unterschätzt werden, da geringere Geschwindigkeiten als tatsächlich vorhanden erfasst werden. Ebenso ist es mit den bisher auf einer WEA installierten Messgeräten nicht beabsichtigt, die auftreten Turbulenzen des Windes zu erfassen. Doch gerade die Turbulenzintensität des Windes hat eine große Auswirkung auf die Schwinganfälligkeit des Turmes. Wenn die aufgeführten Parameter berücksichtigt und bereinigt werden können, scheint eine aussagekräftige Einschätzung der Lebensdauer mit Messdaten der WEA realistisch.

22 6 2 Grundlagen Online Monitoring Eine Möglichkeit der Ermittlung von Ermüdungslasten liegt darin, diese mit Hilfe von messtechnischen Einrichtungen während des Betriebs zu erfassen (Online Monitoring). Zum Einsatz kommen dabei so genannte Lastkollektivsammler, die Belastungsgrößen an der Messstelle kontinuierlich erfassen. Als Ergebnis steht eine mit Hilfe der Rainflow-Zählmethode (Abschnitt 2.2.2) reduzierte Matrix, die eine Häufigkeitsverteilung der aufgetretenen Belastungszyklen darstellt. Die Berechnung der Rainflow-Klassierung erfolgt dabei online vor Ort und führt so zu einer Reduzierung der Datenmengen und zu einem kontinuierlichen Messbetrieb über einen sehr langen Zeitraum. Dadurch sind Betriebszustände besser zu erfassen als wenn lediglich kurze Zeitintervalle aufgezeichnet werden, die später mittels statistischer Methoden einer Extrapolation unterliegen. Nachteilig sei angemerkt, dass durch den Einsatz der Rainflow-Klassierung der zeitliche Zusammenhang der Messwerte verloren geht und somit ein bestimmter Belastungszyklus nicht mehr dem genauen Zeitpunkt zugeordnet werden kann. Die Lastkollektivsammler zeichnen mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen (DMS) an ausgewählten Dehnungsmessstellen die während des Betriebs auftretenden Biegemomente im Inneren des Turmes einer WEA auf (Abbildung 2-1). Abbildung 2-1: Prinzip des Messaufbaus zur Messung von Biegemomenten im Turm einer WEA [45] Problemstellungen wie beispielsweise Temperaturbeanspruchungen und sehr kleine Signale sind laut Söker [45] durch adäquate Schaltungen der Dehnungsmessstreifen berücksichtigt.

23 2 Grundlagen 7 Ein Vergleich der gemessenen Lastkollektive (Online Rainflow-Klassierung), hier die Turmbeanspruchung einer 500 kw WEA, mit dem vereinfachten Kollektiv nach DIBt (1993) ist in Abbildung 2-2 dargestellt und spiegelt die Annahme wider, dass es sich bei den Vorgaben der Turbulenzintensität nach DIBt (1993) um einen konservativen Ansatz handelt (Seifert [44]). Die Messergebnisse (DEWI) liegen deutlich unter den Ergebnissen des vereinfachten Lastkollektivs nach DIBt (1993) und den Simulationen für verschiedene Turbulenzintensitäten. Abbildung 2-2: Gegenüberstellung: Gemessenes Kollektiv, DIBt (vereinfachtes Kollektiv) und Simulation für verschiedene Turbulenzintensitäten [45]

24 8 2 Grundlagen Daten des Deutschen Wetterdienstes Der Deutsche Wetterdienst (DWD) ist für die Erfüllung der meteorologischen Erfordernisse aller Wirtschafts- und Gesellschaftsbereiche in Deutschland zuständig. Das Aufgabengebiet basiert auf einem gesetzlichen Informations- und Forschungsauftrag, dem sogenannten DWD-Gesetz. Der DWD betreibt und unterhält deutschlandweit über 350 Windmessstellen (Traup [47]), die in Abbildung 2-3 dargestellt sind. Abbildung 2-3: Stationsnetz des Deutschen Wetterdienstes [6] Winddaten wie Windgeschwindigkeit und Windrichtung werden mittels Windmasten auf einer Höhe von 10 bis 25 m über Grund gemessen und aufgezeichnet. Dabei ist zu beachten, dass die an frei-

25 2 Grundlagen 9 stehenden Windmasten angebrachten Anemometer nicht durch (Einzel-)Hindernisse wie Bäume oder Häuser beeinträchtigt werden und so zu einer Verfälschung des Messergebnisses führen können. Die aufgezeichneten Messreihen dürfen keinerlei Inhomogenitäten aufweisen, damit eine kontinuierliche Messung vorliegt. Da diese Messstationen in sehr großen Abständen zu einander aufgestellt sind, meistens in exponierten Höhenlagen (Berggipfel, Hochhäuser), müssen für eine flächendeckende Aussage zwischen den einzelnen Standorten die aufgezeichneten Winddaten interpoliert werden. Da allerdings die jeweilige Bodenrauhigkeit einen großen Einfluss auf die Windgeschwindigkeit ausübt, haben die Daten nur eine bedingte Genauigkeit. Da für die Ermittlung des Windpotentials die Windgeschwindigkeit mit der dritten Potenz einfließt (Gleichung (3-1)), müssen die gemessenen Winddaten eine hohe Genauigkeit aufweisen. Anhand der Europäischen Windatlas-Methode [48], [49] werden die Winddaten mit einem numerischen Verfahren aufbereitet, und für einen bestimmten Standort kann das Windpotential ermittelt werden. Dazu dient das sogenannte Wind Atlas Analysis and Application Programme (WA S P) (Mortensen [34]). Grundlagen bilden gemessene Häufigkeitsverteilungen von Windgeschwindigkeiten und -richtungen. Mit Hilfe des Programms WA S P wird aus einem Datensatz einer Windmessstation unter Berücksichtigung der Messhöhe über Grund ein bereinigter Datensatz erzeugt, der im Idealfall von lokalen Einflüssen wie z. B. Bäumen oder Hecken und anderen Rauhigkeiten befreit ist. So können regionale Windverhältnisse für die Umgebung des Basisstandortes beschrieben werden und bilden damit eine Datenbasis für andere Standorte in der Region. Gültigkeit bzw. Grenzen für die Anwendung bestehen dann, wenn am Zielstandort die orographische Gliederung ausgeprägt ist oder zu sehr von den Randbedingungen des Ausgangsstandortes abweicht. Daher können Flachlanddaten nicht auf ein nahe gelegenes Bergland übertragen werden. Es werden für jeden Standort Hinweise auf die eingeschränkte Repräsentanz gegeben. Für Bereiche, die starke orographische Unterschiede zum Ausgangsort aufweisen, sind daher andere Methoden zur Bestimmung der Winddaten, wie z. B. längere Messungen am Zielstandort, zu verwenden. Bedingt durch jährliche Schwankungen der Windverhältnisse liegen den Basisstationen der Windmessungen langjährige Datenreihen zu Grunde, die wenig Beobachtungslücken aufweisen dürfen, damit die Winddaten repräsentativ sind. Den Datenkollektiven der Klimatologie liegen 30-jährige Beobachtungszeitspannen zu Grunde. Für Windmessstellen sieht es anders aus. Es gibt kaum Windmessstellen, die über einen so langen Zeitraum homogene Messergebnisse liefern, da z. B. durch Veränderungen der Umgebung einer Messstation die Ergebnisse beeinflusst werden. Daher liegen windklimatologischen Untersuchungen oft kürzere Zeiträume zu Grunde. Allerdings können die Unterschiede deutlich geringer oder aber auch höher ausfallen als ein langjähriges Messergebnis.

26 10 2 Grundlagen Die Standortwahl einer Messstation ist daher so gewählt, dass repräsentative Aussagen für die umgebende Region getroffen werden können. Der Wind sollte in ebenem und offenem Gelände gemessen werden, damit die Einflüsse durch Hindernisse die Messung nicht verfälschen. Daher eignen sich besonders Flughäfen als Standorte von Windmasten. Die Höhe über Grund beträgt i. d. R. 10 m, zugelassen sind Anemometerhöhen, die zwischen 10 m und 25 m über Grund liegen. Folgende Anforderungen sind nach dem DWD [47] an die Messdaten zu stellen: die Datengrundlage bilden Datenreihen, denen keine Mastumsetzungen zu Grunde liegen die Messhöhenveränderungen müssen unter 10 % liegen keine Inhomogenitäten in den Messreihen (kontinuierliche Messung) Zeitspanne der Messung von min. 15 Jahren zur Kontrolle sind Vergleiche mit benachbarten Stationen durchzuführen Durch Interpolation der Messwerte zwischen den verschiedenen Messstationen kann beispielsweise eine deutschlandweite Geschwindigkeitsverteilung der mittleren Jahreswindgeschwindigkeit erstellt werden (siehe Abbildung 2-4). Abbildung 2-4: Zonen ähnlicher Windgeschwindigkeit in Deutschland 2001 bezogen auf 50 m Höhe über Grund nach DWD, Kaltschmitt [27]

27 2 Grundlagen 11 Der DWD gibt aufbereitete und bereinigte Winddaten wie Mittel der Windstärke in Beaufort-Stufen Maximum der Windgeschwindigkeit (in 10 m über Grund) Weibull-Parameter A s und k aus. Die Daten werden in ein Qualitätsniveau eingeteilt, um darzustellen, auf welchem Niveau sich die einzelnen Messungen befinden. Es kann somit angegeben werden, ob die einzelnen Messergebnisse systematisch geprüft und gegebenenfalls korrigiert worden sind. Die Qualitätsniveaus des DWD sind in Tabelle 2.1 dargestellt. Tabelle 2.1: Qualitätsniveau der Datensätze des DWD [7] Qualitätsniveau Beschreibung 0 Testdaten, keine Routineprodukte oder -daten Daten, die keine systematische Prüfung und Korrektur enthalten. Es gibt einzelne beanstandete, korrigierte und bestätigte, aber auch ungeprüfte Werte. Die einzelnen Werte werden nicht durch Qualitätsbytes gekennzeichnet. Daten, die nach individuellen Kriterien geprüft und ggf. korrigiert sind. Es gibt aber keine systematische Vergabe von Qualitätsbytes. Gilt vor allem für historische Daten, die keine systematische EDV-gestützte Prüfung durchlaufen haben. Daten, die für einzelne (insbesondere automatisch gemessene) Elemente systematisch grob geprüft und ggf. korrigiert sind. Die Daten enthalten aber auch ungeprüfte Werte ohne Qualitätsbytes. 4-6 noch nicht vergeben Daten, die systematisch geprüft sind. Alle Werte werden mit Qualitätsbytes versehen. Beanstandete Werte sind gekennzeichnet, aber in der Regel noch nicht korrigiert. Daten, die systematisch geprüft sind. Alle Werte werden mit Qualitätsbytes versehen. Beanstandete Werte sind gekennzeichnet, aber nur teilweise korrigiert. Daten, die systematisch geprüft sind. Alle Werte werden mit Qualitätsbytes versehen. Die wesentlichen Elemente sind systematisch korrigiert. Für einzelne Elemente ist keine systematische Korrektur vorgesehen. Daten, die systematisch geprüft und ggf. korrigiert oder bestätigt sind. Die Qualitätsprüfung entspricht dem zur jeweiligen Zeit gültigen Verfahren.

28 12 2 Grundlagen Künstliche neuronale Netze Für eine Betriebsfestigkeitsberechnung werden Simulationen über eine Länge von 10 Minuten für verschiedene Windgeschwindigkeiten durchgeführt. Die 10-min Zeitreihen werden mit ihrer Häufigkeitsverteilung (Weibull) gewichtet und auf 20 Jahre hochgerechnet. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Lastgeschichte einer WEA während der Nutzung oder für eine anschließende Restnutzung mit Hilfe von künstlichen neuronalen Netzen (KNN) zu bestimmen. KNN besitzen eine Lernfähigkeit, d. h. ein Netz lernt in einer Trainingsphase eine gegebene Menge von Daten zu reproduzieren. Darauf aufbauend sind KNN in der Lage, selbstständig eine Lösungsstrategie für gleiche Problemstellungen zu entwickeln. Allerdings sei angemerkt, dass die Qualität der Ergebnisse stark von den Trainingsdaten (Betriebsparameter und reale Belastungsmessung) abhängt. Die Anwendbarkeit von KNN für die Rekonstruktion der Belastungen aus Betriebsparametern ist in einer Diplomarbeit von Müller [35] dahingehend untersucht worden, ob fortlaufend mit Kontrollcomputern aufgezeichnete Betriebsparameter wie beispielsweise Windgeschwindigkeit, Pitchwinkel oder Azimutwinkel benutzt werden können, um Belastungen an der Anlage zu reproduzieren und somit für eine Restnutzungsbetrachtung geeignet sind. Dabei stellten sich unterschiedliche Ergebnisse ein. Für die Ermittlung des zeitlichen Verlaufs der Belastungen eignet sich der Einsatz von KNN nicht, da in diesem Falle die Gefahr besteht, dass die vorhandene Schädigung der Bauteile stark unterschätzt werden könnte. Die Ursache liegt darin, dass keine Informationen über das turbulente Windfeld in Bezug zu der gesamten Rotorfläche vorliegen, da diese in den Betriebsdaten nicht erfasst werden. Für die Approximation von Klassenhäufigkeiten der Belastungen mit Hilfe von statistischen Kenngrößen der Betriebsparameter liegen übereinstimmende Werte der Kollektivgrößen vor. Für ein auf das Anwendungsgebiet abgestimmtes spezifisches KNN und entsprechend feiner Klasseneinteilung der Stufenkollektive scheint ein Einsatz dieser Netze für denkbar um eine Aussage über eine Restnutzung der WEA treffen zu können. Zur Lastenermittlung einer WEA sind KNN daher prinzipiell geeignet, sofern entsprechende Randbedingungen bekannt sind und eingehalten werden.

29 2 Grundlagen World-Wind-Atlas Der World-Wind-Atlas [50] ist eine Winddatenbank und dient der Planung von WEA und Windparks. Um das langjährige Windpotential abschätzen zu können, sind Winddatensammlungen aus meteorologischen Daten eines globalen Wettermodells erstellt worden und dokumentieren die Windverhältnisse vergangener Jahre. Die Winddaten basieren auf Beobachtungen der World Meteorological Organisation (WMO) und werden aus Satellitendaten, Ballondaten, Landstationen, Schiffsbeobachtungen und weiteren Quellen ermittelt. Das Wettermodell wird vom National Center of Atmospheric Research (NCAR), USA, und dem National Center for Environmental Prediction (NCEP), USA, betrieben. Standorte können mittels eines geographischen Rasters von 2,5 Grad beschrieben werden. Soll eine detaillierte Analyse eines einzelnen Standortes einer WEA durchgeführt werden, so eignet sich der World-Wind-Atlas nicht, da keine ausreichende Datengrundlage vorhanden ist, und daher sind mittels Messstationen am Standort der geplanten WEA die Winddaten aufzuzeichnen. Korrelieren Messergebnisse und Daten des World-Wind-Atlas miteinander, so kann mit dem Atlas- Verfahren das langjährige Windpotential abgeschätzt werden. Folgende Windparameter stehen zur Verfügung: mittlere Jahreswindgeschwindigkeit der Jahre 1950 bis 2000 in 50 m über Grund Weibull-Paramter A s und k der mittleren Jahreswindgeschwindigkeit der Jahre 1950 bis 2000 Zeitreihen der Windgeschwindigkeit und Windrichtung Windrosen In Abbildung 2-5 sind beispielhaft die mittleren Windgeschwindigkeiten im norddeutschen Raum für die Jahre 1950 bis 2000 in einer Höhe von 50 m über Grund dargestellt. Ein Einsatz für eine Restnutzungsbestimmung erscheint schwierig, da nur globale Winddaten vorhanden sind und örtliche Gegebenheiten nicht berücksichtigt werden. So unterscheiden sich beispielsweise die mittleren Windgeschwindigkeiten in Schleswig-Holstein nicht zwischen Nordsee, Binnenland und Ostsee. Es werden somit keine Angaben über Rauhigkeitseinflüsse gemacht, die entscheidenden Einfluss auf die Turbulenzintensitäten des Windes haben. Da allerdings die Turbulenzverhältnisse maßgeblich am Ermüdungsprozess eines Bauteils beteiligt sind, sollten diese entsprechend berücksichtigt werden.

30 14 2 Grundlagen Abbildung 2-5: Jahresmittel der Windgeschwindigkeit von 1950 bis 2000 in einer Höhe von 50 m Da eine WEA für eine Restnutzung einzeln untersucht und geprüft werden muss, reichen die globalen Kennwerte des World-Wind-Atlas nicht aus, um standortspezifische Windverhältnisse der vergangenen Jahre für den Standort zu berücksichtigen. Für einen ersten Eindruck der Windverhältnisse in der betreffenden Region ist der World-Wind-Atlas durchaus geeignet. 2.2 Betriebsfestigkeitsberechnung Für den Bereich großer Nutzungsdauer, dem sogenannten High-Cycle-Fatigue Bereich (HCF), in dem mehr als 10 7 Schwingspiele während des Betriebes auftreten können, werden für die Betriebsfestigkeit rechnerische Nachweise geführt. Diese haben eine besondere Bedeutung, da aufgrund langer Versuchsdauern und daraus resultierender Kosten nur wenige Versuche durchgeführt werden. Nach Pöting [42] z. B. dauern Versuche zur Lebensdauerabschätzung im HCF-Bereich für ein Bauteil bei einer Versuchsfrequenz von 15 Hz und einer Schwingspielzahl von 10 8 in etwa 2,5 Monate. Für WEA hingegen sind Schwingspiele in der Größenordnung von 10 9 für eine 20-jährige Nutzungsdauer zu berücksichtigen, so dass nur wenige experimentell abgesicherte Erkenntnisse über die Lebensdauerabschätzung vorhanden sind. Aus diesem Grund ist eine verbesserte Lebensdauerabschätzung für den HCF-Bereich von großer Bedeutung, um Konstruktionen wie Türme einer WEA zuverlässig abschätzen und somit für einen sicheren Betrieb gewährleisten zu können.

31 2 Grundlagen Periodische Beanspruchungen von WEA Einen Großteil der Ermüdungslasten von WEA machen periodische Beanspruchungen aus, da sie in ihrer wiederkehrenden Häufigkeit alle anderen Lasteinflüsse bei der Betriebsfestigkeitsberechung übertreffen. Dazu zählen folgende Einflüsse (Lange [31]): Unwuchten Eigengewicht der Rotorblätter Turmvorstau Achsneigung Schräg auf die Rotorblätter einströmender Wind Unwuchten Unwuchten werden hervorgerufen durch aerodynamische Unwucht durch Änderung des Pitchwinkels eines Rotorblattes oder als Massenunwucht des drehenden Rotors. Dadurch wird die Anlage mit der einfachen Blattfrequenz (1n) angeregt. Diese Unwuchten sind abhängig von der Montage und den Unwuchten der Rotorblätter und können bei sorgfältiger Ausführung reduziert werden. Daher handelt es sich um eine beeinflussbare Größe der Anregung. Eigengewicht der Rotorblätter Durch das Eigengewicht der Rotorblätter werden nur diese selbst mit 1n angeregt, da sich diese Kräfte in der Summe ausgleichen. Bei geneigter Rotorachse erfährt das Rotorblatt durch das Eigengewicht periodische Belastungen in Schwenk- und in Schlagrichtung. Turmvorstau Periodische Anregungen infolge des Turmvorstaus (3n) haben nur einen Einfluss, wenn der Abstand des Rotorblattes zum Turm geringer als etwa der Turmdurchmesser ist. Dieses Kriterium ist allerdings bei fast allen gängigen Anlagen mit Achsneigung erfüllt, da der Abstand des Rotorblattes zum Turm größer ist (Hau [25]).

32 16 2 Grundlagen Achsneigung Der drehende Rotor und damit jedes Blatt stehen durch die Achsneigung mit einer ständig veränderten Relativgeschwindigkeit dem Wind gegenüber. Die Anregung bewirkt für das Rotorblatt einen Wert von 1n, und in der Summe der einzelnen Rotorblätter heben sich diese Anregungen wieder auf, da das schräg verlaufende Windprofil sich auf jedes einzelne Rotorblatt abschwächend auf die Anregung auswirkt. Dabei ist allerdings zu beachten, dass sich ein Rotorblatt in der untersten Stellung mehr verformt als wenn es die höchste Position erreicht, da das Rotorblatt unterschiedlich angeströmt wird. Als Folge dessen ändern sich die Anströmbedingungen bei jeder Umdrehung periodisch ([31]). Schräg auf die Rotorblätter einströmender Wind Da der einströmende Wind fast permanent schräg auf die Rotorblätter einwirkt, werden in allen Richtungen periodische Beanspruchungen auftreten. Dabei wird ein Rotorblatt in der untersten Position in einem anderen Winkel angeströmt als in der obersten Stellung. Es findet bei Schräganströmung eine periodische Veränderung der Rotorblattumfangs- und -schubkräfte statt, da diese sich nichtlinear verändern. Die Anregung beträgt bei konstanter Schräganströmung des Windes während eines Blattdurchganges 3n. Wechselt hingegen der Wind während eines Blattdurchganges, so kann sich die Anregung auf 6n erhöhen ([31]) Grundlagen der Betriebsfestigkeit Das Ziel einer Ermüdungsberechnung von Bauteilen liegt darin, die technischen, wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Anforderungen zu erfüllen. Für eine Berechnung der Betriebsfestigkeit wird von einer festgelegten Gestalt und definierten Abmessungen der Bauteile ausgegangen und anschließend die Bauteillebensdauer rechnerisch ermittelt, indem die auftretenden Belastungen den ertragbaren Beanspruchbarkeiten gegenüber gestellt werden Beanspruchbarkeit Um Bauteile für ihren Einsatzbereich auslegen zu können, müssen deren maximal ertragbare Beanspruchungen bekannt sein. Schwingbeanspruchte Bauteile werden für die Betriebsfestigkeit anhand von Wöhlerlinien bemessen. Wöhlerlinien sind in Versuchen ermittelte Ermüdungsfestigkeitskurven, mit denen Einflüsse aus der Bauteilgeometrie, strukturelle und örtliche Spannungskonzentrationen, Schweißimperfektionen,

33 2 Grundlagen 17 Spannungsrichtung, metallurgische Bedingungen sowie Eigenspannungszustände implizit erfasst werden können. Dabei stellen die Wöhlerlinien einen Zusammenhang zwischen der aufgebrachten Lastspielzahl N und der ertragbaren Spannung bzw. Dehnung unter Belastung mit konstanten Amplituden σ D her. Sie beschreiben den Zusammenhang zwischen der Höhe der ertragbaren Schwingbeanspruchung und ihrer Häufigkeit bis zum Anriss oder Bruch. In nachfolgender Abbildung ist eine typische Wöhlerlinie für Stahl dargestellt. Abbildung 2-6: Ermüdungsfestigkeit für Stahl (Wöhlerlinie) [9] Die Wöhlerlinien werden im doppelt-logarithmischen Maßstab dargestellt und grenzen nach unten den Bereich der Dauerfestigkeit ab, in dem näherungsweise beliebig viele Spannungsspiele ertragen werden können. Mit der folgenden Gleichung kann die zulässige Lastspielzahl ermittelt werden: N m σ D i = N D * (2-1) σ mit N i : zulässige Lastspielzahl [ - ] N D : Grenzlastspielzahl Dauerfestigkeit [ - ] σ D : Dauerfestigkeitswert (Kerbfallklasse) [N/mm²] σ : Beanspruchung [N/mm²] m : Steigungsparameter der Wöhlerlinie [ - ]

34 18 2 Grundlagen Der Mittelwert der Dauerfestigkeit σ D sowie der Steigungsparameter m der Wöhlerlinie werden durch statistische Regression aus den Testdaten erhalten. Die zulässige Lastspielzahl N ist dabei die ertragbare Lastspielzahl unter Dauerschwingbeanspruchung und N D stellt die Lage des Abknickpunktes bei Erreichen der Dauerfestigkeit dar. Die Wöhlerlinie wird mit Hilfe der Statistik bestimmt und gibt eine zulässige Beanspruchbarkeit für die Auslegung mit einer vorgegebenen Bauteilsicherheit wieder. Es wird auf der Abszisse die Lebensdauer und auf der Ordinate die Beanspruchung aufgetragen. Statt Nennspannungen können auch Kräfte, Momente oder örtliche Spannungen verwendet werden. Dabei wird die Schwingfestigkeit in verschiedene Bereiche unterteilt: Kurzzeitfestigkeit (Niedrigwechselbereich) Zeitfestigkeit Dauerfestigkeit Beanspruchung Äußere Einwirkungen wie beispielsweise Kräfte, Momente und Zwangsverformungen (z. B. durch Temperatureinflüsse) wirken als Belastungen auf das Bauteil ein und verursachen folgende Beanspruchungen: Zug/Druck Biegung Torsion Schub Die auftretenden Belastungen werden durch einschlägige Normen und Richtlinien vorgegeben oder können im Idealfall mit Messverfahren direkt oder indirekt ermittelt werden und rufen im Bauteil Beanspruchungen hervor. Bei WEA liegen immer veränderliche Beanspruchungen vor, die durch eine Häufigkeitsverteilung als Lastkollektive dargestellt werden können. Reale Beanspruchungskollektive sind in der Regel Mischkollektive, die sich aus Teilkollektiven zusammensetzen. Unterschiedliche Teilkollektive ergeben sich z. B. durch stochastische und deterministisch auftretende Ereignisse sowie durch Sonderereignisse, die selten auftreten und Überbeanspruchungen hervorrufen können.