Erich Hau. Windkraftanlagen. Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 4., vollständig neu bearbeitete Auflage.

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1 Erich Hau Windkraftanlagen Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit 4., vollständig neu bearbeitete Auflage fya Springer

2 Inhaltsverzeichnis Symbolverzeichnis XXI 1 Windmühlen und Windräder Über die Ursprünge der Windmühlen Europäische Windmühlentypen Wirtschaftliche Bedeutung der Windmühlen* Wissenschaft und technische Entwicklung im Windmühlenbau Die amerikanische Windturbine 18 Literatur 22 2 Strom aus Wind - Die ersten Versuche Poul La Cour - Ein Pionier in Dänemark Windkraftwerke - Große Pläne in Deutschland kw aus dem Wind - Die erste Großanlage in den USA Windkraftanlagen in den 50er Jahren - Vor der Energiekrise Nach der Energiekrise - Aufbruch in die moderne Windenergienutzung Die großen Versuchsanlagen der 80er Jahre Der erste Erfolg der kleinen Windkraftanlagen in Dänemark Die amerikanischen Windfarmen 58 Literatur 63 3 Bauformen von Windkraftanlagen Rotoren mit vertikaler Drehachse Horizontalachsen-Rotoren Windenergie-Konzentratoren Begriffe und Bezeichnungen. 77 Literatur 78 4 Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung Die elementare Impulstheorie nach Betz Widerstands- und auftriebsnutzende Windenergiewandler 84 Literatur 87

3 INHALTSVERZEICHNIS Aerodynamik des Rotors 89, 5.1 Physikalisch-mathematische Modelle und Berechnungsverfahren Blattelementtheorie Wirbelmodell der Rotorströmung Numerische Strömungssimulation Rotornachlaufströmung Leistungscharakteristik des Rotors Rqtorleistungskennfeld Leistungscharakteristiken verschiedener Rotorbauarten Aerodynamische Leistungsregelung Blatteinstellwinkelregelung Leistungsbegrenzung durch Strömungsablösung (Stall) Aktive Steuerung der Strömungsablösung Instationäre Effekte und Grenzschichtbeeinflussung Aus dem Wind drehen Das"aerodynamische Profil Charakteristische Eigenschaften Profilgeometrie und Systematik Laminarpronle Einfluß auf den Rötorleistungsbeiwert Konzeptionelle Rotormerkmale und Leistungscharakteristik Anzahl der Rotorblätter Optimale Form des Blattumrisses Verwindung der Rotorblätter Blattdicke Auslegungsschnellaufzahl Ausgeführte Rotorblätter Windrichtungsnachführung des Rotors Aerodynamik der Vertikalachsen-Rotoren Experimentelle Rotoraerodynamik Modellmessungen im Windkanal Messungen an Originalanlagen 166 Literatur 168 Belastungen und Strukturbeanspruchungen Belastungsarten und ihre Wirkung auf die Windkraftanlage Koordinatensysteme und Bezeichnungen Ursachen der Belastungen Eigengewicht, Zentrifugal- und Kreiselkräfte Gleichförmige, stationäre Rotoranströmung Höhenprofil der Windgeschwindigkeit Schräganströmung des Rotors Turmumströmung Windturbulenz und Böen Lastannahmen 192

4 INHALTSVERZEICHNIS XI Internationale und nationale Normen Klassifizierung der Windkraftanlagen und Windzonen Normale Windbedingungen Extreme Windbedingungen Andere Umwelteinflüsse Sonstige externe Bedingungen Sicherheitsfaktoren Maschinenstatus und Lastfälle Normaler Betrieb Technische Störungen Beanspruchsarten und Strukturdimensionierung Ermüdungsfestigkeit Lastkollektive Mathematische Modelle und Berechnungsverfahren Konzeptmerkmale und Strukturbeanspruchungen Anzahl der Rotorblätter Rotornabengelenke beim Zweiblattrotor Steifigkeit der Rotorblätter Regelungssystem Drehzahlelastizität und drehzahlvariable Betriebsweise Meßtechnische Erfassung der Strukturbeanspruchungen Prüfstandversuche mit Rotorblättern Datenerfassungssysteme und Messungen an Originalanlagen Literatur 237 Rotorblätter Materialfragen Vorbild: Flugzeugtragflügel Frühere experimentelle Bauweisen von Rotorblättern Genietete Aluminiumkonstruktionen Stahlbauweisen.' Traditionelle Holzbauweise Ältere Faserverbundbauweisen Holz-Epoxid-Verbundbauweise Moderne Rotorblätter in Faserverbundtechnik Faserverbund-Technologie Konstruktive Auslegung der Rotorblätter Fertigungsverfahren Blattanschluß zur Rotornabe Rotorblattbauweisen im Vergleich Aerodynamische Bremsklappen Blitzschutz Enteisung 275 Literatur 276

5 XII INHALTSVERZEICHNIS Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus Grundsätzliche Überlegung zur Leistungsübertragung Experimentelle Konzeptionen Generator im Turmfuß Generator senkrecht im Turmkopf Heutige Staridardbauweisen Generatorantrieb mit Übersetzungsgetriebe Getriebeloser Triebstrang , Rotornabe Gegossene Rotornaben für Dreiblattrotoren Rotornabenbauarten für Zweiblattrotoren Blattverstellmechanismus Rotorblattlagerung Blattverstellsysteme mit hydraulischem Antrieb Blattverstellsysteme mit elektrischem Antrieb Passive Blattverstellung Redundanz- und Sicherheitsfragen Rotorlagerung Lagerprobleme Rotorwelle mit separaten Lagern Dreipunkt-Lagerung von Rotorwelle und Getriebe Rotorlagerung im Getriebe Einlager"-Konzeption Rotorlagerung auf einer feststehenden Achse Rotorbremse Übersetzungsgetriebe.-> Getriebebauarten Äußere Belastungsvorgaben für das Getriebe Innere Getriebedimensionierung und konstruktive Auslegung Wirkungsgrad und Geräuschentwicklung Drehzahlvariable Überlagerungsgetriebe Torsionselastizität im mechanischen Triebstrang Einbau des elektrischen Generators Maschinenhaus Hilfsaggregate und sonstige Einbauten Bauweise und statische Konzeption Äußere Form - ästhetische Gesichtspunkte Windrichtungsnachführung Zusammenbau und Funktionsprüfung 350 Literatur 352

6 INHALTSVERZEICHNIS XIII 9 Elektrisches System Generatorbauarten Synchrongenerator Asynchrongenerator Generatoren mit Permanentmagneterregung Beurteilungskriterien für den Einsatz elektrischer Generatoren in Windkraftanlagen Drehzahlfeste Generatoren mit direkter Netzkopplung Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung Asynchrongenerator mit variablem Schlupf Drehzahlgestufte Generatorsysteme Drehzahlvariable Generatorsysteme mit Frequenzumrichter Frequenzumrichter Synchrongenerator mit Frequenzumformer Asynchrongenerator mit übersynchroner Stromrichterkaskade Doppeltgespeister Asynchrongenerator Direkt vom Rotor angetriebene drehzahlvariable Generatorsysteme Synchrongenerator mit elektrischer Erregung Generatorsysteme mit Permanentmagnet-Generatoren Elektrische Gesamtausrüstung der Windkraftanlage Große Anlagen Kleine und mittlere Anlagen ' Elektrotechnische Konzeptionen im Vergleich 393 Literatur Regelung und Betriebsführung Betriebsdatenerfassung Betriebswindmeßsystem Elektrische Leistungsmessung Sicherheitssystem Prinzipielle Funktionsweise der Regelungssysteme Windrichtungsnachführung Leistungsregelung und Drehzahlführung durch Verstellen des Rotorblatteinstellwinkels Regelstrecken und rechnerische Simulation Betrieb mit direkt netzgekoppeltem Generator Netzparallelbetrieb mit drehzahlvariablem Generator und Frequenzumrichter Inselbetrieb ohne Drehzahlführung durch das Netz Leistungsbegrenzung durch den aerodynamischen Stall Netzparallelbetrieb mit festem Blatteinstellwinkel Inselbetrieb mit festem Blatteinstellwinkel Aktive Stall-Regelung Betriebsführung und Betriebszyklus 427

7 r XIV INHALTSVERZEICHNIS Betriebszustände Zusammenwirken mit dem Stromnetz 430 Literatur Schwingungsverhalten Anregenden Kräfte und Schwingungsfreiheitsgrade Aeroelastisches Verhalten der Rotorblätter Statische Divergenz Eigenfrequenzen und Schwingungsformen 440 v Typische Rotorblattschwingungen Torsionsschwingungen des Triebstrangs Mechanisches Ersatzmodell Ersatzmodelle für die elektrische Netzkopplung Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen Schwingungsanregungen und Resonanzen Dynamik der Windrichtungsnachführung Mechanisches Modell und Momente um die Hochachse Schwingungsanregungen und Resonanzen Schwingungen der Gesamtanlage Turmsteifigkeit Resonanzdiagramme ausgeführter Anlagen Rechnerische Simulation des Schwingungsverhaltens 467 Literatur Der Turm Bauarten und Varianten Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen Turmauslegung nach deutschen Bauvorschriften Freitragende Stahlrohrtürme Steifigkeit und Baumasse Konstruktion und Fertigungstechnik Aufstiegshilfen und Einbauten Betontürme Ortbeton-Bauweise Beton-Fertigteilbauweise Gittertürme Turm-Konzeptionen im Vergleich Fundament 500 Literatur Windverhältnisse Ursachen des Windes und globale Verteilung der mittleren Windgeschwindigkeiten Windverhältnisse in Europa und in Deutschland Charakteristische Größen und Gesetzmäßigkeiten 512

8 INHALTSVERZEICHNIS XV Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit und Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten Zunahme der Windgeschwindigkeit mit der Höhe Stetigkeit des Windes Windturbulenz und Böen Lokale Windverhältnisse - Topographie und Hindernisse Ermittlung der Windgeschwindigkeit Windmessungen Ermittlung der Winddaten und der Energielieferung nach dem Europäischen Windatlas Numerische Modelle zur Simulation von dreidimensionalen Windfeldern 536 Literatur Leistungsabgabe und Energielieferung Vom Rotorleistungskennfeld zur effektiven Anlagenleistung Installierte Generatorleistung und Rotordrehzahl Leistungsverluste durch Regelung und Betriebsführung Verluste im mechanisch-elektrischen Triebstrang Leistungsbeiwerte ausgeführter Anlagen Normierte Leistungskennlinie Definitionen, Eigenschaften und Gewährleistung Vermessung der Leistungskennlinie Aufstellortbezogene Einflüsse auf die Leistungskennlinie Schwieriges Gelände Luftdichte Turbulenz Sonstige wetterbedingte Einflüsse Verschmutzung der Rotorblätter Gleichförmigkeit der Leistungsabgabe Jahresenergielieferung Berechnungsverfahren Winddaten am Aufstellort Näherungsweise Ermittlung der Energielieferung Technische Verfügbarkeit und Kapazitätsfaktor Sicherheitsabschläge Wichtige Entwurfsparameter und Energielieferung Anlagen-Leistungsbeiwert Rotordurchmesser Optimale Rotordrehzahl und Drehzahlvariabilität Leistungsregelung Installierte Generatorleistung Nabenhöhe des Rotors Betriebswindgeschwindigkeitsbereich 593

9 XVI INHALTSVERZEICHNIS Die Windkraftanlage als Energiewandler - eine grundsätzliche Betrachtung 594 Literatur Umweltverhalten Gefahren für die Umgebung Wie weit kann ein Rotorblatt fliegen? Ris'ikobetrachtungen Geräuschentwicklung Akustische Kenngrößen und zulässige Immissionswerte Geräuschquellen bei Windkraftanlagen Geräuschentwicklung gegenwärtiger Anlagen Schattenwurf Störungen von Funk und Fernsehen Störungen der Vogelwelt Landverbrauch Optische Beeinträchtigung der Landschaft Windenergienutzung und Klimaschutz Einfluß auf das Umgebungsklima Nutzung der Windkraft und C02-Emissionen 626 Literatur Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche 631 /16.1 Windkraftanlagen im Inselbetrieb Autonome Stromversorgung mit Windenergie - die Speicherproblematik Heizen mit Windenergie Wasserpumpen Entsalzen von Meerwasser Inselnetze mit Dieselgeneratoren und Windkraftanlagen Windkraftanlagen im Verbund mit dem Stromnetz Einzelanlagen im Netzparallelbetrieb Windfarmen und Windparks Windkraftanlagen im Kraftwerkverbund der Energieversorgungsunternehmen Die Regelungsproblematik Das Verbundnetz Beitrag zur gesicherten Leistung Windkraftanlagenindustrie, Absatzmärkte, Windenergiepotential Entwicklung der Absatzmärkte Die Windkraftanlagenhersteller Zuliefererindustrie und Dienstleistungsunternehmen Über das Windenergiepotential 673 Literatur 677

10 INHALTSVERZEICHNIS XVII 17 Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere Technische Probleme der Offshore-Aufstellung von Windkraftanlagen Technische Anforderungen an die Windkraftanlagen Gründung auf dem Meeresgrund Elektrische Konzeption Transport und Montage Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen Wetterbedingte Zugänglichkeit Wartung und Instandhaltung Offshore-Windenergienutzung im Bereich der Nord- und Ostsee Ozeanographische Bedingungen und Windverhältnisse Völkerrechtliche Situation Genehmigungsverfahren Die ersten Offshore-Windparks Kommerzielle Offshore-Windparks 710 Literatur Planung, Errichtung und Betrieb * Projektentwicklung Genehmigungsverfahren Gesetze und Regelwerke Planerische Vorgaben der Gemeinden und regionalen Gremien Baugenehmigung für kleine Anlagen Genehmigung von Windkraftprojekten nach BImSchG Technische Auslegung von Windparks Aerodynamik der Feldaufstellung Bauliche Infrastruktur Interne elektrische Verkabelung Netzanschluß Transportprobleme Errichtung am Aufstellort Standardverfahren Errichtung ohne schwere Hebezeuge Extrem große Anlagen Große Experimentalanlagen mit Zweiblattrotor Inbetriebnahme Kommerzielle Anlagen und Windparks Versuchsanlagen und Prototypen Technische Betriebsführung Erfassung der Betriebsdaten Übergeordnete Betriebsführung von großen Windparks Technische Zustandsüberwachung Betriebssicherheit Technische Sicherheitssysteme Gefahren durch extreme Wetterlagen 782

11 XVIII INHALTSVERZEICHNIS 18.9 Wartung und Instandsetzung Reguläre Wartung Schadensursachen und Reparaturrisiken Statistische Auswertungen 793 Literatur Kosten von Windkraftanlagen und Anwendungsprojekten Herstellkosten und Verkaufspreise von Windkraftanlagen Spezifische Kosten und Bezugsgrößen Die Baumasse als Grundlage zur Ermittlung der Herstellkosten Baumassen ausgeführter Windkraftanlagen Ermittlung der Herstellkosten mit massenbezogenen Kostenwerten Herstellkosten der heutigen Windkraftanlagen Konzeptionelle Merkmale und Herstellkosten Kostendegression in der Serienfertigung Kostensenkung durch technische Weiterentwicklung Alternative technische Konzeptionen Über die Entwicklungskosten von Windkraftanlagen Preiskalkulation in der Serienfertigung und Verkaufspreise von Windkraftanlagen Investitionskosten von schlüsselfertigen Anwendungsprojekten Projektentwicklung Fundamente und Geländeerschließung Netzanschluß und Verkabelung Sonstige Kosten Typische Kostenbeispiele Betriebskosten Wartung und Instandsetzung Versicherungen Sonstige Betriebskosten Gesamte jährliche Betriebskosten Offshore-Projekte Investitionskosten Betriebskosten 847 Literatur Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie Finanzierung und gesellschaftsrechtliche Organisation Stromerzeugungskosten und Amortisationszeiten Grundlagen der Wirtschaftlichkeitsberechnung Statische Betrachtungsweise Dynamische Berechnung der Wirtschaftlichkeit Stromerzeugungskosten aus Windenergie im Vergleich zu anderen Energiesystemen Energetische Amortisation von Windkraftanlagen 873

12 INHALTSVERZEICHNIS XIX 20.5 Beschäftigungseffekt der Windkraftnutzung Bedeutung der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Nutzung der erneuerbaren Energien 875 Literatur 877 Glossar - englische Fachausdrücke 879 Deutsch - Englisch 879 Englisch - Deutsch 890 Sachverzeichnis 901

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