Windkraftanlagen. Robert Gasch Jochen. Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb 7., aktualisierte Auflage. Die Herausgeber:

Transkript

1 Robert Gasch Jochen (Hrsg.) Windkraftanlagen Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb 7., aktualisierte Auflage Die Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Robert Gasch Prof. Dr.-Ing. Jochen Twele Technische Universität Berlin HTW Berlin Die Verfasser: Dr.-Ing. P. Bade W. Conrad SUZLON Energy GmbH Prof. Dr.-Ing. R. Gasch TU Berlin Dr.-Ing. C. Heilmann Berlin Wind GmbH Dr.-Ing. K. Kaiser Aero- & Structural Dynamics Dr.-Ing. R. SUZLON Energy GmbH Prof. Dr. Dipl.-Ing. M. Kühn Universität Oldenburg Dipl.-Ing. W. Langreder SUZLON Energy A/S Dipl.-Ing. J. Liersch Key Wind Energy GmbH Dr.-Ing. J.Maurer Dipl.-Ing. K. Ohde RETC GmbH Prof. Dr.-Ing. A. Reuter Universität Hannover Dipl.-Ing. M. Schubert REpower Systems AG Prof. Dr. A. Stoffel FH Köln Dipl.-Ing. B. Sundermann GE Wind GmbH Prof. Dr.-Ing. J. Twele HTW Berlin VIEWEG+ TEUBNER

2 Inhalt 0 Fragebogen von Max Frisch 1 Einleitung Windenergie im Jahr Strombedarf Energiepolitische Instrumente der Regierungen Technologische Entwicklung 13 2 Aus der Geschichte der Windräder Windräder mit vertikaler Achse Windräder mit horizontaler Achse Von der Windmühle 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 45 3 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen Rotor Rotorblatt Nabe Blattwinkelverstellung Triebstrang Aufbau 74

3 3.2.2 Getriebe Kupplungen und Bremsen Generatoren Hilfsaggregate und sonstige Einrichtungen Windrichtungsnachführung Kühlung und Heizung Blitzschutz Hebezeuge Sensorik Turm und Fundament Turm Fundament Fertigung 3.6 Daten von Windkraftanlagen 113 Wind Entstehung des Windes Globale Windsysteme Geostrophischer Wind Lokale Winde Atmosphärische Grenzschicht Grenzschicht Höhenprofil des Windes Turbulenzintensität Darstellung der gemessenen Windgeschwindigkeiten im Zeitbereich durch Häufigkeitsverteilung und Verteilungsfunktionen Spektrale Darstellung des Windes Ermittlung von Leistung, Ertrag und Belastungsgrößen Ertragsabschätzung mit Hilfe der Histogramme von Windgeschwindigkeit und Turbinenleistung 150

4 XI Ertragsermittlung aus Verteilungsfunktion und Vermessung der Leistungskurve Ertragsabschätzung eines Windparks Wind- und Standorteinfluss auf Anlagenbelastung 4.4 Windmessung und Auswertung Schalenkreuzanemometer Ultraschallanemometer SODAR Prognose der Windverhältnisse Wind Atlas Analysis and Application Programme Modelle Measure-Correlate-Predict-Methode 175 Auslegung von Windturbinen nach Betz und Schmitz Was sich aus dem Wind an Leistung entnehmen? Froude-Rankinesches Theorem 5.2 Die Tragflügeltheorie 5.3 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 Drallverluste Drallverluste Praktisches Vorgehen bei der Dimensionierung von Windturbinen Schlussbemerkung

5 XII 6 Kennfeldberechnung und Teillastverhalten Berechnungsverfahren (Blattelementmethode) Dimensionslose Darstellung der Kennlinien 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 < (hohe Auftriebsbeiwerte) Leerlaufbereich X > (Glauerts empirische Formel) Profilwiderstand Erweiterte Iteration Grenzen der Blattelementmethode und dreidimensionale Berechnungsverfahren 247 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 der Blätter aus Luftkräften 268 Zugspannungen in der Flügelwurzel aus den Fliehkräften 269 Biegespannungen in der Flügelwurzel aufgrund des Gewichts.. Veränderung der Eigenfrequenzen des Flügels und der Frequenzverhältnisse Luftkraftdämpfungen des Rotors 274

6 XIII 7.2 Skalierungsregeln bei elektrischen Maschinen Anwendung der Skalierungsregeln auf eine Windturbine mit direkt getriebenem Generator Torsionsschwingungen im skalierten Triebstrang Grenzen des Skalierens - Wie groß können Windturbinen werden? Strukturdynamik Dynamische Anregungen Massen-, Trägheits- und Gewichtskräfte Aerodynamische und hydrodynamische Lasten 287 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 Probleme Simulation der Gesamtdynamik Modellbildung in Simulationsprogrammen Einsatz von Simulationsprogrammen 8.4 Validierung durch Messungen Richtlinien und Nachweisverfahren Zertifizierung Richtlinien zur Zertifizierung: 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 Sonstige Normen und Richtlinien 319

7 XIV Windklassen und Standortkategorien Lastfalldefinitionen Nachweiskonzepte 321 Grenzzustand der Tragfähigkeit und das Konzept der partiellen Sicherheitsfaktoren Gebrauchstauglichkeitsnachweis 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 Wöhlerlinien Nachweis der Rotorblätter für einachsigen Spannungszustand und orthotropes Material 335 Konzept der zulässigen Dehnung zum Nachweis der Gurte Lokales versagen Materialauswahl und Fertigungsverfahren Windpumpsysteme Charakteristische Anwendungen Bauarten windgetriebener Pumpen Zusammenwirken von Windturbine und Pumpe Sinnvolle Kombinationen von Windturbinen und Pumpen 354

8 XV 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 11 Windkraftanlagen zur Stromerzeugung - Grundlagen 376 Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) 377 Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Inselbetrieb 377 Erregungsarten, Innen- und Außenpolmaschine 387 Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Netzparallelbetrieb 389 Drehstrommaschinen 395 Die dreiphasige Synchronmaschine Die Drehstrom-Asynchronmaschine 399 Leistungselektronische Komponenten von Windkraftanlagen -Umrichter Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkraftanlagen 12.1 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 435 Anhang I 436 Anhang II 443

9 XVI 13 Anlagenkonzepte Netzeinspeisende Anlagen 449 Das Dänische Konzept: Asynchrongenerator zur direkten Netzeinspeisung 450 Direkt einspeisender Asynchrongenerator mit dynamischer Schlupfregelung Drehzahlvariable Windkraftanlage mit Synchrongenerator und Umrichter mit Drehzahlvariable Windkraftanlage mit doppelt gespeister Asynchronmaschine und Umrichter im Läuferkreis 460 Leistungskurven und Gesamtwirkungsgrade dreier Anlagenkonzepte - kleiner Vergleich Einzel- und Inselanlagen Batterielader Widerstandsheizung mit Synchrongeneratoren Windpumpsystem mit elektrischer Leistungsübertragung Kleines Inselnetz 472 Asynchrongenerator im Inselnetzbetrieb Verbundanlagen 475 Wind-Dieselsystem mit Schwungradspeicher 479 Wind-Dieselsystem mit gemeinsamer Gleichstromschiene Verbund (Kleinstnetz) Schlussbemerkung Betrieb von Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz Das elektrische Verbundnetz Struktur des elektrischen Verbundnetzes 483 Netzbetrieb Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz Technische Anforderungen an den Netzanschluss Netzrückwirkungen Verhalten der Erzeugungsanlage am Netz 499

10 XVII Eigenschaften von Anlagen-Konzepten im Netzbetrieb Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen Planung und Projektierung von Windparks Technische Planungsaspekte Genehmigungsrechtliche Aspekte Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Bau und Betrieb von Windkraftanlagen 523 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 Umweltbedingungen auf See Entwurfsanforderungen für Offshore-Anlagen Windenergieanlage Tragstruktur und Installation auf See Netzintegration und Layout von Windparks Betrieb und Wartung Wirtschaftlichkeit 567 Stichwortverzeichnis 572