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Gesche Stefanie Beutel
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1 Inhalt 0 Fragebogen von Max Frisch 1 Einleitung Windenergie im Jahr Energie- und Strombedarf Energiepolitische Instrumente der Regierungen Technologische Entwicklung 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 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen Rotor Rotorblatt Nabe Blattwinkelverstellung Triebstrang Aufbau... 74

2 XV Getriebe Kupplungen und Bremsen Generatoren Hilfsaggregate und sonstige Einrichtungen Windrichtungsnachführung Kühlung und Heizung Blitzschutz Hebezeuge Sensorik Turm und Fundament Turm Fundament Fertigung Daten von Windkraftanlagen Der Wind Entstehung des Windes Globale Windsysteme Geostrophischer Wind Lokale Winde Atmosphärische Grenzschicht Bodennahe 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

3 XVI Ertragsermittlung aus Verteilungsfunktion und Leistungskennlinie Vermessung der Leistungskurve Ertragsabschätzung eines Windparks Wind- und Standorteinfluss auf Anlagenbelastung Windmessung und Auswertung Schalenkreuzanemometer Ultraschallanemometer SODAR Prognose der Windverhältnisse Wind Atlas Analysis and Application Programme Meso-Scale Modelle Measure-Correlate-Predict-Methode 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 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

4 XVII 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 λ < λa (hohe Auftriebsbeiwerte) Leerlaufbereich λ > λa (Glauerts empirische Formel) Profilwiderstand Erweiterte Iteration Grenzen der Blattelementmethode und dreidimensionale... Berechnungsverfahren 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 und der Frequenzverhältnisse Luftkraftdämpfungen des Rotors

5 XVIII 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 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 aeroelastische Probleme Simulation der Gesamtdynamik Modellbildung in Simulationsprogrammen Einsatz von Simulationsprogrammen Validierung durch Messungen Richtlinien und Nachweisverfahren Zertifizierung Richtlinien zur Zertifizierung: IEC 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 (DIBt-Richtlinie) Sonstige Normen und Richtlinien

6 XIX Windklassen und Standortkategorien Lastfalldefinitionen Nachweiskonzepte 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 Konzept der zulässigen Dehnung zum Nachweis der Gurte Lokales Bauteilversagen Materialauswahl und Fertigungsverfahren Windpumpsysteme Charakteristische Anwendungen Bauarten windgetriebener Pumpen Zusammenwirken von Windturbine und Pumpe Sinnvolle Kombinationen von Windturbinen und Pumpen

7 XX 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 Windkraftanlagen zur Stromerzeugung Grundlagen Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Inselbetrieb Erregungsarten, Innen- und Außenpolmaschine Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Netzparallelbetrieb Drehstrommaschinen Die dreiphasige Synchronmaschine Die Drehstrom-Asynchronmaschine Leistungselektronische Komponenten von Windkraftanlagen - Umrichter Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkraftanlagen 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 Anhang I Anhang II

8 XXI 13 Anlagenkonzepte Netzeinspeisende Anlagen Das Dänische Konzept: Asynchrongenerator zur direkten Netzeinspeisung Direkt einspeisender Asynchrongenerator mit dynamischer Schlupfregelung Drehzahlvariable Windkraftanlage mit Synchrongenerator und Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis Drehzahlvariable Windkraftanlage mit doppelt gespeister Asynchronmaschine und Umrichter im Läuferkreis Leistungskurven und Gesamtwirkungsgrade dreier Anlagenkonzepte kleiner Vergleich Einzel- und Inselanlagen Batterielader Widerstandsheizung mit Synchrongeneratoren Windpumpsystem mit elektrischer Leistungsübertragung Kleines Inselnetz Asynchrongenerator im Inselnetzbetrieb Verbundanlagen Wind-Dieselsystem mit Schwungradspeicher Wind-Dieselsystem mit gemeinsamer Gleichstromschiene Wind-Diesel-Photovoltaik Verbund (Kleinstnetz) Schlussbemerkung 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

9 XXII 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 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 Offshore-Windparks Umweltbedingungen auf See Entwurfsanforderungen für Offshore-Anlagen Windenergieanlage Tragstruktur und Installation auf See Netzintegration und Layout von Windparks Betrieb und Wartung Wirtschaftlichkeit Stichwortverzeichnis

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