Windkraftanlagen. Grundlagen und Entwurf. 2., überarbeitete Auflage. Technische Universität Berlin

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1 Windkraftanlagen Grundlagen und Entwurf 2., überarbeitete Auflage Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Robert Gasch Technische Universität Berlin Verfasser: Dr.-Ing. R Bade Dipl.-Ing. W. Conrad Prof. Dr.-Ing. R. Gasch Dipl.-Ing. E. Holstein Dipl.-Ing. K. Kaiser Dipl.-Ing. R. Kortenkamp Dr.-Ing. J. Maurer Dr.-Ing. M. Person Dipl.-Ing. A. Reuter Dipl.-Ing. M. Schubert Dr. rer. nat. A. Stoffel Dipl.-Ing. B. Sundermann Dr.-Ing. J. Twele Dipl.-Ing. V. Zimmer B. G. Teubner Stuttgart 1993

2 Inhaltsverzeichnis ^ 0 Fragebogen von Max Frisch 1 Regenerative Energien, Windenergie Energieerzeugung und Klimakatastrophe Kernenergie: Ein Ausweg? Sparen ohne Engerschnallen des Gürtels? Rückkehr zu den regenerativen Energien und die Rolle der Politik Rückblick auf mehr als ein Jahrzehnt der Entwicklung von Windkraftanlagen 5 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 Physik.der Windenergienutzung ; Windleistung Widerstandsläufer Auftriebsnutzende Windräder Vergleich von Widerstands- und Auftriebsläufer 29 3 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen Kurze Beschreibung verschiedener Windkraftanlagen Megawatt-Anlagen (Rotordurchmesser D > 50m) Das dänische Konzept (D= 10-35m) Die mittlere Leistungsklasse auf dem deutschen Markt Anlagen für den Inselbetrieb (D < 10m).-.: Charakteristische Vorgaben für die Konstruktion von Windkraftanlagen Einsatz und Betriebsführung Auslegungswindgeschwindigkeit Hauptdaten Rotor Rotorblattbauweise und Materialien Nabe und Blattverankerung Aufbau von Triebstrang und Maschinenträger Windnachführung : Sturmabschaltung und zweites Sicherheitssystem 72

3 vn 3.9 Leistungsbegrenzung Turm und Gründung^ 79 Anhang 85 Der Wind Die Entstehung des Windes Die globalen Zirkulationen Lokale Ausgleichswinde Der Wind in Bodennähe Die Entstehung des bodennahen Windes Die vertikale Verteilung der Windgeschwindigkeiten und die Bodenrauhigkeit Hindernisse am Boden Windmessung und Auswertung Das Messen des Windes Auswertung, Windhistogramm, Ertragsaussage Idealisierte Windhistogramme - Rayleigh- und Weibuliverteilung Standortbeurteilung und Bewertung t. 115 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 Hügel : Die Betzsche Optimalauslegung Verluste Profilverluste Tip- Verluste Drallverluste Die Schmitzsche Auslegung unter Berücksichtigung der Drallverluste Drallverluste Praktisches Vorgehen bei der Dimensionierung von Windturbinen 147 Kennfeldberechnung und Teillastverhalten Berechnungsverfahren Dimensionslose Darstellung der Kennlinien Dimensionslose Kennlinien eines Schnelläufers Dimensionslose Kennlinien eines Langsamläufers Turbinenkennfelder : Anströmverhältnisse 163

4 vm Schneiläufer - Langsamläufer: Zusammenfassung Anströmung eines Langsamläufers Anströmung eines Schnelläufers Verhalten von Schneiläufern bei Pitchverstellung Erweiterung des Berechnungsverfahrens Der Bereich X < XA (Randumströmung) Der Bereich X>XA (Glauerts empirische Formel) Der Profilwiderstand Die erweiterte Iteration Grenzen der Blattelementtheorie und dreidimensionale Berechnungsverfahren Panelverfahren Stall-Delay Strukturbelastungen, Festigkeitsüberlegungen Lastfallkombinationen Belastungen der Blätter von Windturbinen Konstante, quasi-statische Belastungen / Kurzzeitige Belastung aus Böen Kurzzeitige Belastung durch Flieh-, Kreisel- und Corioliskräfte bei Windnachführung des Rotors Bremsmanöver Periodische Lasten aus Flügeleigengewicht Periodische Kräfte aus Turmvorstau oder Turmschatten Schräganblasung, Windprofil in Bodennähe Lasten auf Gondel und Turm Dauerfestigkeit Festigkeit von Materialien Normen, Richtlinien, Regelwerke Modellgesetze und Ähnlichkeitsregeln Anwendungen und Einschränkungen 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 Windpumpsysteme Charakteristische Anwendungen Bauarten windgetriebener Pumpen Zusammenwirken von Windturbine und Pumpe 217

5 IX Sinnvolle Kombinationen von Windturbinen und Pumpen Qualitativer Vergleich von Windpumpsystemen mit Kolben-und Kreiselpumpe Auslegung von Windpumpsystemen Ziel der Auslegung Wahl der Nennwindgeschwindigkeit für die Auslegung Auslegung von Windpumpsystemen mit Kolbenpumpe Auslegung von Windpumpsystemen mit Kreiselpumpe Windkraftanlagen zur Stromerzeugung Grundlagen Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Inselbetrieb Erregungsarten und Bauformen Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Netzpallelbetrieb Drehstrommaschinen und ihr Aufbau Die Synchron - Drehstrommaschine und ihre Anwendung ;: Batterielader / Widerstandsheizung mit Synchrongeneratoren Windpumpsystem mir elektrischer Leistungsübertragung Inselnetzspeisung Netzeinspeisung Die Asynchronmaschine und ihre Anwendung in Windkraftanlagen Arbeitsweise Das Dänische Konzept Asynchrongenerator zur direkten Netzeinspeisung Drehzahlvariable Netzeinspeisung Asynchrongenerator im Inselnetzbetrieb Windkraftwerke im Verbund mit Dieselstromerzeugern Realisierte Konzepte für Wind-Diesel-Systeme Beispiele für ausgeführte Wind-Diesel-Systeme 293 Anhang: Formelzeichen zu Kapitel 10, Steuerung und Regelung von Windkraftanlagen Ziele der Regelungsmaßnahmen Typen von Steuerungen und Regelungen Einwirkungsmöglichkeiten auf den Rotor Aus-dem-Wind-Drehen des Rotors Blattwinkelverstellung zu kleineren Winkeln Blattwinkelverstellung zu größeren Winkeln (S tall-effekt) Beispiele einfacher Regelungen Regelung von Langsamläufern durch den Winddruck 307

6 Regelung von Schnelläufern durch Winddruck Regelung von Schnelläufem durch Zentrifugalmechanismen Regelung von Schnelläufem mit Spoiler und Bremsklappe Beispiele schneller Regelungen Windkraftanlagen ohne Pitchverstellung Netzbetrieb mit Nabe ohne Pitchverstellungdänisches Konzept Inselbetrieb mit Nabe ohne Pitchverstellung Windkraftanlagen mit Pitch-Regelung Inselbetrieb mit Pitchregelung Netzparallelbetrieb mit Pitchregelung Betriebsführung 325 Anhang: Differentialgleichungen des Regelverhaltens von Windturbinen 327 1'2 Probleme der Dynamik von Windturbinen Unwuchterregte Gondel- und Turmschwingungen.' Vom Turmschatten verursachte Gondel- und Turmschwingungen Blattschwingungen Schwingungen im Antriebsstrang Zur Modellierung Windkraftanlagen mit vertikaler Achse Grundlagen Geometrie Anströmverhältnisse Bestimmung der Luftkräfte an einem Blattelement Übertragung der Betz-Theorie auf den Darrieus-Rotor Auslegung von Darrieus-Windturbinen Dynamik von Vertikalachsrotoren DerH-Darrieus Betriebswirtschaftliche Aspekte von Windkraftwerken Produktkalkulation - die Herstellerseite Anlegbare Investitionssumme und Amortisationsrechnung - die Betreiberseite Überschlagsrechnung - die Rechnung des ersten Jahres Der zu erwartende Energieertrag 364