Erich Hau. Windkraftanlagen. Grundlagen,Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 5., neu bearbeitete Auflage. ^ Springer Vieweg

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1 Erich Hau Windkraftanlagen Grundlagen,Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit 5., neu bearbeitete Auflage ^ Springer Vieweg

2 Inhaltsverzeichnis Häufig verwendete Symbole 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 59 Literatur 64 3 Bauformen von Windkraftanlagen Rotoren mit vertikaler Drehachse Horizontalachsen-Rotoren Windenergie-Konzentratoren Begriffe und Bezeichnungen 79 Literatur 80 4 Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung Die elementare Impulstheorie nach Betz Widerstands- und auftriebsnutzende Windenergiewandler 86 Literatur 90

3 X INHALTSVERZEICHNIS 5 Aerodynamik des Rotors Physikalisch-mathematische Modelle und Verfahren Blattelementtheorie Wirbelmodell der Rotorströmung Numerische Strömungssimulation Rotornachlaufströmung Leistungscharakteristik des Rotors Rotorleistungskennfeld und Drehmomentenkennfeld 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 Laminarprofile Einflußauf den Rotorleistungsbeiwert 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 169 Literatur 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 194

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 Strukturbeanspruchung und Dimensionierung Beanspruchungsarten Lastkollektive Strukturdynamik Mathematische Modellierung der Windkraftanlage Modellierung der Windturbulenz Analytische Ansätze und numerische Simulation 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 Schwingungsverhalten Anregenden Kräfte und Schwingungsfreiheitsgrade Aeroelastisches Verhalten der Rotorblätter Statische Divergenz Eigenfrequenzen und Schwingungsformen Typische Rotorblattschwingungen Torsionsschwingungen des Triebstrangs Mechanisches Ersatzmodell Ersatzmodeile 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 269

5 XII INHALTSVERZEICHNIS 7.6 Rechnerische Simulation des Schwingungsverhaltens 275 Literatur 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 Blattanschlußan die Rotornabe Rotorblattbauweisen im Vergleich Aerodynamische Bremsklappen Blitzschutz Enteisung 317 Literatur Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus Grundsätzliche Überlegung zur Leistungsübertragung Triebstrang mit Übersetzungsgetriebe Experimentelle Konzeptionen Heutige Bauweisen mit schneilaufendem Generator Mittelschnellaufende Triebstrangauslegung Getriebelose Bauart Ringgenerator mit elektrischer Erregung Permanentmagnet-Generator Triebstrangkonzeptionen im Vergleich Triebstrangkonzeption und Baumasse Perspektiven bei zunehmender Anlagengröße Rotornabe Ältere Nabenbauarten Gegossene Rotornaben für Dreiblattrotoren Rotornabenbauarten für Zweiblattrotoren Blattverstellmechanismus Rotorblattlagerung Blattverstellsysteme mit hydraulischem Antrieb Elektromotorische Blattverstellung Passive Blattverstellung Redundanz- und Sicherheitsfragen 361

6 INHALTSVERZEICHNIS XIII 9.7 Rotorlagerung Lagerprobleme Rotorwelle mit separaten Lagern Dreipunkt-Lagerung von Rotorwelle und Getriebe Einlager"-Konzeption Rotorlagerung auf einer feststehenden Achse Rotorbremse Übersetzungsgetriebe Getriebebauarten Äußere Belastungsvorgaben für die Getriebeauslegung Innere Getriebedimensionierung und konstruktive Auslegung Wirkungsgrad und Geräuschentwicklung Drehzahlvariable Überlagerungsgetriebe Torsionselastizität im mechanischen Triebstrang Einbau des elektrischen Generators Maschinenhaus Bauweise und statische Konzeption Hilfsaggregate und sonstige Einbauten Äußere Form - ästhetische Gesichtspunkte Windrichtungsnachführung Funktionsprüfung und Serienfertigung 408 Literatur Elektrisches System Generatorbauarten Synchrongenerator Asynchrongenerator Permanentmagnet-Generatoren 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 Generator mit Vollumrichter Asynchrongenerator mit übersynchroner Stromrichterkaskade Doppeltgespeister Asynchrongenerator Direkt vom Rotor angetriebene drehzahlvariable Generatoren Synchrongenerator mit elektrischer Erregung Generator mit Permanentmagnet-Erregung Elektrische Gesamtausrüstung der Windkraftanlage Große Anlagen 450

7 XIV INHALTSVERZEICHNIS Kleine und mittlere Anlagen Elektrotechnische Konzeptionen im Vergleich 454 Literatur Regelung und Betriebsfuhrung Betriebsdatenerfassung Betriebswindmeßsystem Elektrische Leistungsmessung Sonstige Betriebsdaten Technologie und Charakteristik der Regler Windrichtungsnachfuhrung Leistungsregelung mit Blatteinstellwinkelregelung Mathematische Modellierung Drehzahlfeste Generatoren im Netzparallelbetrieb Netzparallelbetrieb mit drehzahlvariablen Generatorsystemen Inselbetrieb ohne Drehzahlführung durch das Netz Leistungsbegrenzung durch den aerodynamischen Stall Netzparallelbetrieb mit festem Blatteinstellwinkel Inselbetrieb mit festem Blatteinstellwinkel Stall-Regelung mit verstellbarem Blatteinstellwinkel Betriebszyklus und Sicherheitssystem Betriebszustände Sicherheitssystem Bauliche Realisierung des Regelungssystems Zusammenwirken mit dem Stromnetz 494 Literatur Turm und Fundament Turmbauarten und Varianten Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen Turmauslegung nach deutschen Bauvorschriften Freitragende Stahlrohrtürme Steifigkeit und Baumasse Konstruktion und Fertigungstechnik Aufstiegshilfen und Einbauten Gittertürme Betontürme Ortbeton-Bauweise Beton-Fertigteilbauweise Beton/Stahl-Hybridtürme Turm-Konzeptionen im Vergleich Optimale Turmhöhe Fundament Dimensionierende Lasten und Bodenbeschaffenheit Fundamentbauarten 533

8 INHALTSVERZEICHNIS XV Einbindung des Turmes im Fundament Typische Ausfiihrungsbeispiele 536 Literatur Windverhältnisse Ursachen des Windes und Energieinhalt Globale Verteilung der mittleren Windgeschwindigkeiten Windverhältnisse in Europa und in Deutschland Charakteristische Größen und Gesetzmäßigkeiten 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 Messungen mit Anemometern und stationärem Windmeßmast SODAR und LIDAR Ermittlung der Winddaten und der Energielieferung nach dem Europäischen Windatlas Numerische Modelle zur Simulation von dreidimensionalen Windfeldern Über das Windenergiepotential 582 Literatur Leistung und Energielieferung Vom Rotorleistungskennfeld zur effektiven Anlagenleistung Installierte Generatorleistung und Rotordrehzahl Leistungsverluste durch Regelung und Betriebsführung Verluste im mechanisch-elektrischen Triebstrang Leistungsbeiwerte ausgeführter Anlagen Leistungskennlinie Normierte Leistungskennlinie Vermessung der Leistungskennlinie Aufstellortbezogene Einflüsse auf die Leistungskennlinie Schwieriges Gelände Luftdichte Turbulenz Sonstige wetterbedingte Einflüsse Verschmutzung und Abnutzung der Rotorblätter Schallreduzierter Betrieb Gleichförmigkeit der Leistungsabgabe Jahresenergielieferung Berechnungsverfahren Näherungsweise Ermittlung der Energielieferung 622

9 XVI INHALTSVERZEICHNIS Sensitivität bezüglich der Winddaten Technische Verfügbarkeit und Kapazitätsfaktor Energielieferungsprognosen für Projektfinanzierungen Wichtige Entwurfsparameter und Energielieferung Anlagen-Leistungsbeiwert Rotordurchmesser Optimale Rotordrehzahl und Drehzahlvariabilität Leistungsregelung Installierte Generatorleistung Nabenhöhe des Rotors Betriebswindgeschwindigkeitsbereich Die Windkraftanlage als Energiewandler eine grundsätzliche Betrachtung 643 Literatur Umweltverhalten Gefahren für die Umgebung Wie weit kann ein Rotorblatt fliegen? Risikobetrachtungen Schallemissionen Akustische Kenngrößen und zulässige Immissionswerte Geräuschquellen bei Windkraftanlagen Schalleistungspegel Schallausbreitung Schattenwurf Störungen von Funk und Fernsehen Störungen der Vögelwelt Landverbrauch Optische Beeinträchtigung der Landschaft Windenergienutzung und Klimaschutz Einflußauf das Umgebungsklima Nutzung der Windkraft und CO2-Emissionen 676 Literatur Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche 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 704

10 INHALTSVERZEICHNIS XVII 16.4 Windkraftanlagen im Kraftwerksverbund Die Regelungsproblematik Das Verbundnetz Beitrag zur gesicherten Leistung Windkraftanlagenindustrie und Absatzmärkte Historische Entwicklung der Absatzmärkte Die Windkraftanlagenhersteller Zuliefererindustrie und Dienstleistungsunternehmen 720 Literatur 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 Instandsetzung Offshore-Windenergienutzung im Bereich der Nord- und Ostsee Ozeanographische Bedingungen und Windverhältnisse Völkerrechtliche Situation Kriterien für das Genehmigungsverfahren Die ersten Offshore-Windparks Offshore-Windenergie in Europa Strom aus der Nordsee für Deutschland Offshore-Projekte Weltweit 769 Literatur Planung, Errichtung und Betrieb Projektentwicklung Genehmigungsverfahren Gesetze und Regelwerke Planerische Vorgaben der Gemeinden und regionalen Gremien Genehmigung von Windkraftprojekten nach BImSchG Baugenehmigung für einzelne Anlagen Technische Auslegung von Windparks Aerodynamik der Feldaufstellung Interne elektrische Verkabelung und Stichleitung zum Netz Netzanschluß Tiefbauarbeiten am Aufstellort Transportprobleme Errichtung am Aufstellort Standardverfahren Errichtung ohne schwere Hebezeuge 812

11 XVIII INHALTSVERZEICHNIS Die Montage des Maschinenhauses am Aufstellort Große Experimentalanlagen mit Zweiblattrotor Inbetriebnahme Kommerzielle Anlagen und Windparks Versuchsanlagen und Prototypen Technische Betriebsfuhrung Erfassung der Betriebsdaten Überwachung und Steuerung mit SCADA-Systemen Technische Zustandsüberwachung - Condition Monitoring Betriebssicherheit Technische Sicherheitssysteme Gefahren durch extreme Wetterlagen Wartung und Instandsetzung Reguläre Wartung Schadensursachen und Reparaturrisiken Statistische Auswertungen 850 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 Entwicklung der Verkaufspreise Investitionskosten von schlüsselfertigen Projekten Projektentwicklung Technische Infrastruktur Sonstige Kosten Typische Kostenbeispiele Betriebskosten Wartung und Instandsetzung Versicherungen Sonstige Betriebskosten Jährliche Betriebskosten OfFshore-Projekte Bestimmende Faktoren für die Investitionskosten Entwicklung der Investitionskosten seit Typische Kostenbeispiele 903

12 INHALTSVERZEICHNIS XIX Betriebskosten Ausblick 907 Literatur Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie Unternehmensformen und Finanzierung Statische Berechnung der Stromerzeugungskosten Einzelne Anlagen und Windparks Offshore-Windparks Dynamische Berechnung der Wirtschaftlichkeit Kapital- oder Barwertmethode Kapitalflußprognose für einen Windpark Stromerzeugungskosten aus Windenergie im Vergleich zu anderen Energiesystemen Energetische Amortisation von Windkraftanlagen Beschäftigungseffekt der Windkraftnutzung Bedeutung der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Nutzung der erneuerbaren Energien 933 Literatur 935 Glossar - englische Fachausdrücke 937 Deutsch - Englisch 937 Englisch - Deutsch 948 Sachverzeichnis 959