Robert Gasch, Jochen Twele. Windkraftanlagen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb. 5., überarbeitete Auflage

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1 Robert Gasch, Jochen Twele Windkraftanlagen Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb 5., überarbeitete Auflage Prof. Dr.-Ing. Robert Gasch Prof. Dr.-Ing. Jochen Twele Dr.-Ing. P. 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 Prof. Dr.-Ing. J. Twele Herausgeber: Technische Universität Berlin Technische Universität Berlin Verfasser: SUZLON Energy GmbH TU Berlin Deutsche WindGuard Dynamics GmbH Aero- & Structural Dynamics SUZLON Windkraftanlagen GmbH Universität Stuttgart SUZLON Energy A/S Deutsche WindGuard Dynamics GmbH SFE GmbH RSB ConsultGmbH REpower Systems AG GE Wind GmbH FH Köln FHTW Berlin 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 Auftriebsnutzende Windräder Vergleich von Widerstands- und Auftriebsläufer 44 3 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen Rotor Rotorblatt Nabe Blattwinkelverstellung Triebstrang Aufbau 73

3 XIV Getriebe Kupplungen und Bremsen Generatoren Hilfsaggregate und sonstige Einrichtungen Windrichtungsnachführung Kühlung und Heizung Blitzschutz Hebezeuge Turm und Fundament Turm Fundament Fertigung Daten von Windkraftanlagen 110 Der Wind Entstehung des Windes Globale Windsysteme Geostrophischer Wind.' Lokale Winde Atmosphärische Grenzschicht Bodennahe Grenzschicht Höhenprofil des Windes Turbulenzintensität Darstellung der gemessenen Windgeschwindigkeitenim Zeitbereich durch Häufigkeitsverteilung und Verteilungsfunktionen Spektrale Darstellung des Windes Ermittlung von Leistung, Ertrag und Belastungsgrößen Ertragsabschätzung mit Hilfe der Histogramme von Windgeschwindigkeit und Turbinenleistung Ertragsermittlung aus Verteilungsfunktion und Leistungskennlinie 148

4 XV Vermessung der Leistungskurve Ertragsabschätzung eines Windparks Wind- und Standorteinfluss auf Anlagenbelastung Windmessung und Auswertung Schalenkreuzanemometer Ultraschallanemometer SODAR Prognose der Windverhältnisse Wind Atlas Analysis and Application Programme Meso-Scale Modelle Measure-Correlate-Predict-Methode 172 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 :...2O4 5.7 Praktisches Vorgehen bei der Dimensionierung von Windturbinen Schlussbemerkung 209 Kennfeldberechnung und Teillastverhalten Berechnungsverfahren (Blattelementmethode) Dimensionslose Darstellung der Kennlinien 217

5 XVI 6.3 Dimensionslose Kennlinien eines Schnellläufers Dimensionslose Kennlinien eines Langsamläufers Turbinenkennfelder Anströmverhältnisse Schnellläufer - Langsamläufer: Zusammenfassung Anströmung eines Langsamläufers Anströmung eines Schnellläufers Verhalten von Schnellläufern bei Pitchverstellung Erweiterung des Berechnungsverfahrens Anlaufbereich X < AA (hohe Auftriebsbeiwerte) Leerlaufbereich X-> A\ (Glauerts empirische Formel) Profilwiderstand Erweiterte Iteration Grenzen der Blattelementmethode und dreidimensionale Berechnungs verfahren Auftriebsverteilung und dreidimensionale Effekte Dynamische Strömungsablösung (Dynamic Stall) Singularitätenverfahren " Numerische Strömungssimulation bei Windkraftanlagen Beispiele für CFD bei 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? Strukturdynamik 275

6 XVII 8.1 Dynamische Anregungen Massen-, Trägheits- und Gewichtskräfte Aerodynamische und hydrodynamische Lasten Transiente Anregungen aus Manövern und durch Störungen Freie und erzwungene Schwingungen von Windturbinen - Beispiele, Phänomenologie Turm-Gondel-Dynamik Blattschwingungen Triebstrangschwingungen Teilmodelle - Gesamtsystem Instabilitäten und weitere aeroelastische Probleme Simulation der Gesamtdynamik Modellbildung in Simulationsprogrammen Einsatz von Simulationsprogrammen Validierung durch Messungen 306 Richtlinien und Nachweisverfahren Zertifizierung." Richtlinien zur Zertifizierung: IEC 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 ' Lastfalldefinitionen Nachweiskonzepte Grenzzustand der Tragfähigkeit und das Konzept der partiellen Sicherheitsfaktoren Gebrauchstauglichkeitsnachweis Grundlagen des Betriebsfestigkeitsnachweises 316

7 XVIII 9.3 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 Wöhlerlinien Nachweis der Rotorblätter für einachsigen Spannungszustand und orthotropes Material Konzept-der zulässigen Dehnung zum Nachweis der Gurte Lokales Bauteil versagen Materialauswahl 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 Windpumpsystemen mit Kolbenpumpe Auslegung von Windpumpsystemen mit Kreiselpumpe 362

8 XIX 11 Windkraftanlagen zur Stromerzeugung - Grundlagen Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Inselbetrieb Erregungsarten, Innen- und Außenpolmaschine Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Netzparallelbetrieb Drehstrommaschinen Die dreiphasige Synchronmaschine Die Drehstrom-Asynchronmaschine Leistungselektronische Komponenten von Windkraftanlagen -Umrichter Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkraftanlagen Möglichkeiten auf den Triebstrang einzuwirken Aerodynamische Beeinflussungsmöglichkeiten Beeinflussung des Triebstrangs durch die Last Sensoren und Aktoren Regler und Regelsysteme Regelungsstrategie einer drehzahlvariablen Anlage mit Blattwinkelverstellung Zum Reglerentwurf 426 Anhang I." 427 Anhang II ' Anlagenkonzepte Netzeinspeisende Anlagen Das Dänische Konzept: Asynchrongenerator zur direkten Netzeinspeisung Direkt einspeisender Asynchrongenerator mit dynamischer Schlupfregelung 447

9 XX Drehzahlvariable Windkraftanlage mit Synchrongenerator und Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis Drehzahlvariable Windkraftanlage mit doppelt gespeister Asynchronmaschine und Umrichter im Läuferkreis Leistungskurven und Gesamtwirkungsgrade dreier Anlagenkonzepte - kleiner Vergleich Einzel- und Inselanlagen Batterielader Widerstandsheizung mit Synchrongeneratoren Windpumpsystem mit elektrischer Leistungsübertragung Kleines Inselnetz Asynchrongenerator im Inselnetzbetrieb Verbundanlagen Wind-Dieselsystem mit Schwungradspeicher Wind-Dieselsystem mit gemeinsamer Gleichstromschiene Wind-Diesel-Photovoltaik Verbund (Kleinstnetz) Schlussbemerkung 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 Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen Planung und Projektierung von Windparks Technische Planungsaspekte 494

10 XXI Genehmigungsrechtliche Aspekte 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 551 Stichwortverzeichnis 555