Technische Universität Berlin HTW Berlin. BELECTRIC Solarkraftwerke GmbH TU Berlin BerlinWind GmbH

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1 Robert Gasch Herausgeber Jochen Twele Windkraftanlagen Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb 9., überarbeitete und erweiterte Auflage Herausgeber: Prof. Dr.Ing. Robert Gasch Prof. Dr.Ing. Jochen Twele Technische Universität Berlin HTW Berlin Redaktion: Dipl.Ing. Rene Kamieth Technische Universität Berlin Verfasser: 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. J. Liersch Dr.Ing. J. Maurer Prof. Dr.Ing. A. Reuter Dipl.Ing. M. Schubert Prof. Dr.Ing. H. Schulte Prof. Dr.Ing. D. Schulz Dipl.Ing. ß. Sundermann Prof. Dr.Ing. J.Twele Dr.H.P.Waldl BELECTRIC Solarkraftwerke GmbH TU Berlin BerlinWind GmbH ASDynamics SUZLON Energy GmbH Universität Oldenburg Key Wind Energy GmbH SFE GmbH Universität Hannover wyncon GmbH HTW Berlin Universität der Bundeswehr Hamburg GE Wind GmbH HTW Berlin Overspeed GmbH & Co. KG 4^ Springer Vieweg

2 IX Inhalt 0 Fragebogen von Max Frisch 1 Einleitung Windenergie im Jahr Stromverbrauch, Umweltaspekte, Stromkosten Energie und Stromverbrauch Umweltaspekte Stromkosten Energiepolitische Aspekte Technologische Entwicklung 14 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 46 3 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen Rotor Rotorblatt Nabe 64

3 3.1.3 Blattwinkelverstellung Triebstrang Aufbau Getriebe Kupplungen, Bremsen, Rotorarretierung und Schleifringe Generatoren Hilfsaggregate und sonstige Einrichtungen Windrichtungsnachführung Kühlung und Heizung Wetterund Blitzschutz Hebezeuge Sensorik und Anlagenüberwachung Turm und Fundament Turm Fundament Fertigung Daten von Windkraftanlagen 114 Der Wind Entstehung des Windes Globale Windsysteme Geostrophischer Wind Lokale thermische Winde Katabatische Winde Atmosphärische Grenzschicht Bodennahe Grenzschicht Temperaturschichtung der Atmosphäre Höhenprofil des Windes Einflüsse von Oberflächenrauhigkeit und Orographie Turbulenzintensität Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit Histo gramme und Verteilungsfunktionen 142

4 XI Windleistungsspektrum Ermittlung von Leistung, Ertrag und Belastungsgrößen aus Messungen Ertragsabschätzung mit Hilfe der Histogramme von Windge schwindigkeit und Leistung Ertragsermittlung aus Verteilungsfunktion und Leistungs kennlinie Abschätzung des Jahresertrags mit idealisierter Anlage Extreme Windgeschwindigkeiten Auswirkungen der Turbulenz auf die Leistungskurven und die Blattbeanspruchungen Schräganströmung, vertikaler und horizontaler Windgradient Turbulenz und Abschattungseffekte in Windparks Windmessung und Windpotentialprognosen Schalenkreuzanemometer Ultraschallanemometer SODAR LED AR Messmasten und Datenlogger Vermessung der Leistungskennlinie Methoden zur Prognose der Windverhältnisse Inhalte von Windpotentialprognosen Prinzipien der Windpotentialermittlung Wind Atlas Analysis and Application Program WAsP Mesoskalige Modelle Langzeitdaten und Windindizes MeasureCorrelatePredictMethode Zeitliche Windleistungsvorhersage: Windwettervorhersage Auslegung von Windturbinen nach Betz und Schmitz Was lässt sich aus dem Wind an Leistung entnehmen? FroudeRankinesches Theorem Die Tragflügeltheorie Anströmverhältnisse und Luftkräfte am rotierenden Flügel 199

5 Berechnung Winddreiecke Luftkräfte am rotierenden Flügel Die Betzsche Optimalauslegung Aerodynamik Blattbiegemomente aus Luftkräften Verluste Profilverluste TipVerluste Drallverluste Die Schmitzsche Auslegung unter Berücksichtigung der Drallverluste Drallverluste nach Schmitz Zum Blattentwurf BetzSchmitzAuslegung Modifizierter Blattentwurf Schlussbemerkung 224 Kennfeldberechnung und Teillastverhalten bener Blattgeometrie 6.1 Berechnungsverfahren (Blattelementmethode) aus vorgege Dimensionslose Darstellung der Kennlinien Dimensionslose Kennlinien eines Schnellläufers Dimensionslose Kennlinien eines Langsamläufers 6.5 Turbinenkennfelder 6.6 Anströmverhältnisse Schnellläufer Anströmung eines Langsamläufers Langsamläufer: Zusammenfassung Anströmung eines Schnellläufers Verhalten von Schnellläufern bei Pitchverstellung Erweiterung des Berechnungsverfahrens Anlaufbereich X<X& (hohe Auftriebsbeiwerte) Leerlaufbereich X > X\ (Glauerts empirische Formel) Profilwiderstand

6 Wie XIII Erweiterte Iteration Grenzen der Blattelementmethode und dreidimensionale Berech nungsverfahren 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 Zugspannungen in der Flügelwurzel aus den Fliehkräften Biegespannungen in der Flügelwurzel aufgrund des Gewichts Veränderung der Eigenfrequenzen des Flügels quenzverhältnisse und der Fre Luftkraftdämpfungen des Rotors Skalierungsregeln bei elektrischen Maschinen Anwendung der Skalierungsregeln auf eine Windturbine mit direkt ge triebenem Generator Torsionsschwingungen im skalierten Triebstrang Grenzen des Skalierens 286 groß können Windturbinen werden? Strukturdynamik 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 TurmGondelDynamik Blattschwingungen Triebstrangschwingungen 321

7 Verfahren XIV Teilmodelle Gesamtsystem Instabilitäten und weitere aeroelastische Probleme Simulation der Gesamtdynamik Modellbildung in Simulationsprogrammen Einsatz von Simulationsprogrammen Validierung durch Messungen Richtlinien und Nachweisverfahren Zertifizierung Richtlinien zur Zertifizierung: JEC Richtlinie des DNV / Germanischen Lloyd für die Zertifizie rung von Windenergieanlagen Richtlinie für Windenergieanlagen, Einwirkungen und Standsi cherheitsnachweise für Turm und Gründung (DIBtRichtlinie) Sonstige Normen und Richtlinien Windklassen und Standortkategorien Lastfalldefmitionen Nachweiskonzepte Grenzzustand der Tragfähigkeit und das Konzept der partiel len Sicherheitsfaktoren Gebrauchstauglichkeitsnachweis Grundlagen des Betriebsfestigkeitsnachweises Beispielnachweis Stahlrohrturm einachsiger Spannungszustand und isotropes Material Tragfähigkeitsnachweis, Nachweis Extremlasten Nachweis der Betriebsfestigkeit Gebrauchstauglichkeitsnachweis, Nachweis der Eigenfre quenz 9.4 Nachweis der Rotornabe für mehrachsigen Spannungszustand und isotropes Material Geometrische Auslegung Tragfähigkeitsnachweis der kritischen Schnitt 349 ebenen 351

8 XV Betriebsfestigkeitsnachweis verfahrensabhängige Wöhlerlinien Nachweis der Rotorblätter für einachsigen Spannungszustand und orthotropes Material Konzept der zulässigen Dehnung zum Nachweis der Gurte Lokales Bauteilversagen Materialauswahl und Fertigungsverfahren Windpumpsysteme Charakteristische Anwendungen Bauarten windgetriebener Pumpen Zusammenwirken von Windturbine und Pumpe Kombinationsgrundsätze für Windturbine und Pumpe 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 Drehstromgeneratoren, Komponenten der Leistungselektronik Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Inselbe trieb Erregungsarten, Innen und Außenpolmaschine Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Netzparallelbetrieb Drehstrommaschinen Der Aufbau von Drehstrommaschinen Die DrehstromSynchronmaschine Die DrehstromAsynchronmaschine 408

9 kleiner die XVI 11.3 Leistungselektronische Komponenten von Windkraftanlagen richter Um Diode, Thyristor, Transistor, IGBTs Gleichrichter und Gleichstromsteller Wechselrichter Stellmöglichkeiten im Triebstrang Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkraftanlagen zur 429 Netzeinspeisung 12.1 Ziele von Steuerung und Regelung netzeinspeisender Anlagen Drehzahlvariabler Bereich, Zone 1, v < 12 m/s Starkwindbereich, Zone 2, v m/s ~ Regler und Reglerstrukturen 12.3 Regelung der Blattwinkelverstellung Azimutregelung 12.5 Triebstrangregelung über Generator und Umrichter lung 12.6 Praktisches Vorgehen beim Reglerentwurf 12.7 Anhang Vektorrege Anlagenkonzepte 13.1 Netzeinspeisende Anlagen Das Dänische Konzept: Asynchrongenerator Netzeinspeisung Direkt einspeisender Asynchrongenerator Schlupfregelung zur direkten mit dynamischer Drehzahlvariable Windkraftanlage mit Synchrongenerator und Umrichter mit GleichspannungsZwischenkreis Drehzahlvariable Windkraftanlage mit doppelt gespeister Asynchronmaschine und Umrichter im Läuferkreis Leistungskurven und Gesamtwirkungsgrade von sechs Anla 478 Vergleich gen 13.2 Einzel und Inselanlagen Batterielader

10 XVII WindDieselSysteme Hybridsysteme Betrieb von Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz Das elektrische Verbundnetz Struktur des elektrischen Verbundnetzes Netzbetrieb Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz Technische Anforderungen an den Netzanschluss Netzrückwirkungen Verhalten der Erzeugungsanlage am Netz Eigenschaften von AnlagenKonzepten im Netzbetrieb Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen Planung und Proj ektierung von Windparks Technische und standortspezifische Planungsaspekte Genehmigungsrechtliche Aspekte Abschätzung der Wirtschaftlichkeit Bau und Betrieb von Windkraftanlagen Technische Aspekte von Aufbau und Betrieb von Windkraft anlagen Rechtliche Aspekte Wirtschaftlichkeit im Betrieb OffshoreWindparks Ressourcen und technischwirtschaftliches Potential Umgebungs und Entwurfsbedingungen auf See Umweltbedingungen Entwurfsanforderungen für OffshoreAnlagen Tragstruktur und Installation Bauformen Hydrodynamische Belastungen 567

11 XVIII Installation 16.4 RotorGondelEinheit 16.5 Netzanschluss 16.6 Betrieb und Wartung Stichwortverzeichnis 584