Einführung in die Windenergietechnik

von: Alois P. Schaffarczyk

Carl Hanser Fachbuchverlag, 2016

ISBN: 9783446449824

Sprache: Deutsch

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Einführung in die Windenergietechnik

	Vorwort	6
	Inhalt	9
	1 Die Geschichte der Windenergie (Jos Beurskens)	20
	1.1 Einleitung	20
	1.2 Die ersten Windmühlen: 600–1890	21
	1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890–1930	28
	1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930–1960	31
	1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: 1960 bis heute	38
	Literatur	53
	2 Die internationale Entwicklung der Windenergie (Klaus Rave)	55
	2.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte	55
	2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte	58
	2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze	60
	2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette	64
	2.5 Internationale Perspektiven	66
	2.6 Der Ausbau in ausgewählten Ländern	69
	2.7 Zur Rolle der EU	71
	2.8 Internationale Institutionen und Organisationen	72
	2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 – Der globale Blick in die Zukunft	76
	2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015	77
	Literatur	82
	3 Windressourcen, Standortbewertung, Ökologie (Hermann van Radecke)	84
	3.1 Einleitung	84
	3.2 Windressourcen	84
	3.2.1 Globales Windsystem und Bodenrauigkeit	84
	3.2.2 Höhenprofil und Rauigkeitslänge	85
	3.2.3 Rauigkeitsklassen	88
	3.2.4 Höhenlinien und Hindernisse	90
	3.2.5 Windressource mit WAsP, WindPRO, Windfarmer	93
	3.2.6 Bestimmung Windpotenzial mit Mesoskala-Modellen und Reanalysedaten	95
	3.2.6.1 Reanalysedaten	95
	3.2.6.2 Windmapping	96
	3.2.6.3 Windatlas	99
	3.2.6.4 Verifizierung und Zeitreihen	100
	3.2.6.5 Anwendungsbereiche	101
	3.2.7 Wind im Windpark	102
	3.2.8 Häufigkeitsverteilung Wind	105
	3.2.9 Standortbewertung und Jahresenergieertrag	107
	3.2.10 Referenzertrag und Dauer der erhöhten Vergütung	110
	3.3 Schall	112
	3.3.1 Einheit dB(A)	112
	3.3.2 Schallquelle	114
	3.3.3 Ausbreitung durch die Luft	116
	3.3.4 Immissionsort und Richtwerte	116
	3.3.5 Frequenzanalyse, Tonzuschlag, Impulszuschlag	117
	3.3.6 Schallreduktionsmaßnahmen	117
	3.3.7 Abstandsregeln	118
	3.4 Schatten	119
	3.5 Turbulenz	121
	3.5.1 Natürliche Umgebungsturbulenz	121
	3.5.2 Anlagenspezifische Turbulenz	122
	3.6 Zwei Anwenderprogramme zur vollständigen Planung von Windparks	123
	3.7 Technische Richtlinien, FGW-Richtlinien und IEC	124
	3.8 Umwelteinflüsse, Bundes-Immissionsschutzgesetz und Genehmigungsverfahren	125
	3.8.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG)	126
	3.8.2 Genehmigungsverfahren	126
	3.8.3 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP)	127
	3.8.3.1 Screening	129
	3.8.3.2 Standortbezogene Vorprüfung	129
	3.8.3.3 Allgemeine Vorprüfung	129
	3.8.3.4 UVP-Untersuchungsrahmen	130
	3.8.4 Einzelaspekte im Verfahren	130
	3.8.4.1 Antrag auf immissionsschutzrechtliche Genehmigung	130
	3.8.4.2 Erteilung der Genehmigung	131
	3.8.4.3 Schwierigkeiten des Genehmigungsverfahrens	131
	3.8.4.4 Geräusche sind Immissionen im Sinne des § 3 (2) BImSchG	131
	3.8.4.5 Optische Immissionen: Lichtblitze, periodischer Schattenwurf	132
	3.8.4.6 Turbulenzen im Nachlauf von Windenergieanlagen	132
	3.8.4.7 Kennzeichnung von WEA als Luftfahrthindernisse	133
	3.8.5 Akzeptanz	133
	3.8.6 Überwachung und Klärung anlagenspezifischer Daten	133
	3.9 Übungsaufgaben	134
	3.10 Lösungen zu den Übungsaufgaben	136
	Literatur	137
	4 Aerodynamik und Blattentwurf (Alois Schaffarczyk)	139
	4.1 Zusammenfassung	139
	4.2 Einleitung	139
	4.3 Horizontalanlagen	140
	4.3.1 Allgemeines	140
	4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe	140
	4.4 Integrale Impulsverfahren	143
	4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz'sche Grenzwert	143
	4.4.2 Änderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe	145
	4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl	145
	4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach Glauert	146
	4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand	149
	4.5 Impulstheorie der Blattschnitte	149
	4.5.1 Die Formulierung	149
	4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf	151
	4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter	151
	4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung	152
	4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation – CFD	153
	4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen	154
	4.6 Vertikalanlagen	154
	4.6.1 Allgemeines	154
	4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren	156
	4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren	160
	4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel	161
	4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ	161
	4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren	162
	4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor	163
	4.7.1 Einleitung	163
	4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge	164
	4.7.3 Ein Zahlenbeispiel	164
	4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren	165
	4.7.5 Auswertung	165
	4.7.6 Realisierte Fahrzeuge	167
	4.7.7 Zusammenfassung: Windautos	169
	4.8 Übungsaufgaben	169
	Literatur	170
	5 Rotorblätter (Lothar Dannenberg)	176
	5.1 Einführung	176
	5.2 Belastungen der Rotorblätter	177
	5.2.1 Belastungsarten	177
	5.2.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung	178
	5.2.2.1 Koordinatensystem, Vorzeichenregeln	178
	5.2.2.2 Schnittlasten (Schnittkräfte und Schnittmomente)	179
	5.2.3 Querschnittswerte des Rotorblattes	180
	5.2.4 Spannungen und Deformationen	185
	5.2.5 Schnittlasten im Rotorblatt	189
	5.2.6 Durchbiegung und Neigung	191
	5.2.7 Ergebnisse nach der Balkentheorie	192
	5.3 Schwingungen und Beulung	192
	5.3.1 Schwingungen	192
	5.3.2 Beul-/Stabilitätsberechnungen	196
	5.4 Finite-Elemente-Berechnungen	197
	5.4.1 Spannungsberechnungen	197
	5.4.2 FEM-Beulberechnungen	198
	5.4.3 FEM-Schwingungsberechnungen	199
	5.5 Faserverbundwerkstoffe	200
	5.5.1 Einleitung	200
	5.5.2 Materialien (Fasern, Harze, Zusatzstoffe, Sandwichmaterialien)	201
	5.5.2.1 Fasern	201
	5.5.2.2 Harze	203
	5.5.2.3 Zusatzstoffe	204
	5.5.2.4 Sandwichmaterialien	204
	5.5.3 Laminate, Laminateigenschaften	205
	5.6 Fertigung von Rotorblättern	208
	5.6.1 Strukturteile des Rotorblattes	208
	5.6.2 Laminierverfahren für Rotorblätter	210
	5.6.3 Zusammenbau des Rotorblattes	211
	Literatur	212
	6 Der Triebstrang (Sönke Siegfriedsen, Peter Krämer)	213
	6.1 Einleitung	213
	6.2 Blattwinkelverstellsysteme	213
	6.3 Windrichtungsnachführung	220
	6.3.1 Allgemein	220
	6.3.2 Funktionsbeschreibung	221
	6.3.3 Komponenten	222
	6.3.4 Anordnungsvarianten von Windrichtungsnachführungen	225
	6.4 Triebstrangkomponenten	227
	6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen	227
	6.4.2 Rotorwelle und Lagerung	228
	6.4.3 Getriebe	232
	6.4.4 Bremse und Kupplung	235
	6.4.5 Generator	238
	6.5 Triebstrangkonzepte	240
	6.5.1 Direktgetrieben – Doppelte Lagerung	241
	6.5.2 Direktgetrieben – Momentenlager	244
	6.5.3 1-2-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung	246
	6.5.4 1-2-Stufengetriebe – Momentenlagerung	247
	6.5.5 3-4-Stufengetriebe – Doppelte Lagerung	249
	6.5.6 3-4-Stufengetriebe – Dreipunktlagerung	251
	6.5.7 3-4-Stufengetriebe – Momentenlagerung	252
	6.6 Schäden und Schadensursachen	253
	6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten	254
	6.8 Schutzrechte in der Windenergie	258
	Literatur	264
	7 Turm und Gründung (Torsten Faber)	265
	7.1 Einleitung	265
	7.2 Richtlinien und Normen	267
	7.3 Beanspruchung von Türmen	267
	7.3.1 Ermüdungslasten	267
	7.3.2 Extremlasten	269
	7.4 Nachweise des Turms	270
	7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise	270
	7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise	271
	7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen)	272
	7.5 Konstruktionsdetails	274
	7.5.1 Öffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen	275
	7.5.2 Ringflanschverbindungen	275
	7.5.3 Schweißverbindungen	276
	7.6 Werkstoffe für Türme	276
	7.6.1 Stahl	277
	7.6.2 Beton	278
	7.6.3 Holz	278
	7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff	278
	7.7 Ausführungsformen	279
	7.7.1 Rohrtürme	279
	7.7.2 Gittermasten	279
	7.7.3 Abgespannte Türme	280
	7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich	280
	7.8 Gründungen von Onshore-WEA	281
	7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen	281
	7.8.2 Übergang zwischen Turm und Fundament	283
	7.8.3 Nachweise für die Gründung	283
	Literatur	288
	8 Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen (Friedrich Fuchs)	289
	8.1 Einführung	289
	8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem	291
	8.3 Transformator	293
	8.3.1 Prinzip, Gleichungen	293
	8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm	295
	8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild	296
	8.3.4 Drehstromtransformatoren	297
	8.4 Generatoren für Windenergieanlagen	299
	8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer	299
	8.4.1.1 Aufbau	300
	8.4.1.2 Grundlegende Funktion	300
	8.4.1.3 Spannungsgleichungen	301
	8.4.1.4 Ersatzschaltbild	302
	8.4.1.5 Zeigerdiagramm	302
	8.4.1.6 Heylandkreis	303
	8.4.1.7 Leistung	305
	8.4.1.8 Moment	306
	8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer	307
	8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer	310
	8.4.2.1 Aufbau	311
	8.4.2.2 Grundlegende Funktion	311
	8.4.2.3 Spannungsgleichungen	312
	8.4.2.4 Ersatzschaltbild	312
	8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve	313
	8.4.2.6 Drehzahlregelung	316
	8.5 Synchronmaschinen	318
	8.5.1 Generelle Funktion	318
	8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild	319
	8.5.3 Leistung und Moment	320
	8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen	322
	8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen	322
	8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine	323
	8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen	324
	8.6.1 Generelle Funktion	325
	8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung	325
	8.6.2.1 Schaltung	325
	8.6.2.2 Pulsweitenmodulation	326
	8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung	331
	8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen	333
	8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurzschlussläufer	334
	8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine	339
	8.7.3 Regelung der Synchronmaschine	339
	8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters	340
	8.7.5 Auslegung der Regelung	342
	8.8 Einhaltung der Netzanschlussbedingungen	343
	8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten	345
	8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Übersicht	346
	8.11 Übungsaufgaben	347
	Literatur	352
	9 Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen (Reiner Johannes Schütt)	354
	9.1 Grundlegende Zusammenhänge	354
	9.1.1 Einordnung der WES-Automation	355
	9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA	358
	9.1.3 Energiewandlung des Rotors	358
	9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs	361
	9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems	362
	9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA	365
	9.2 Regelsysteme der WEA	366
	9.2.1 Gierwinkelregelung	367
	9.2.2 Blattwinkelregelung	368
	9.2.3 Wirkleistungsregelung	369
	9.2.4 Blindleistungsregelung	371
	9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereiche der WEA	372
	9.3 Betriebsführungssysteme für WEA	374
	9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA	374
	9.3.2 Sicherheitssysteme	377
	9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme	378
	9.5 Fernbedienung und -überwachung	380
	9.6 Kommunikationssysteme für WES	381
	Literatur	383
	10 Netzintegration (Sven Wanser, Nica Kähler)	385
	10.1 Energieversorgungsnetze im Überblick	385
	10.1.1 Allgemeines	385
	10.1.2 Spannungsebenen der elektrischen Versorgungsnetze	386
	10.1.3 Netzstrukturen	386
	10.2 Netzregelung	389
	10.2.1 Regelleistung	389
	10.2.2 Ausgleichsenergie und Bilanzkreise	389
	10.2.3 Grundlast, Mittellast und Spitzenlast	390
	10.2.4 Frequenzhaltung	392
	10.2.5 Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve	393
	10.2.6 Spannungshaltung	394
	10.2.7 Systemdienstleistungen durch Erzeugungsanlagen	395
	10.3 Grundbegriffe zur Netzintegration von Erzeugungsanlagen	396
	10.3.1 Elektrische Grundbegriffe	397
	10.3.2 Netzqualität	401
	10.4 Netzanschluss für WEA	404
	10.4.1 Bemessung der Netzbetriebsmittel	405
	10.4.2 Überprüfung der Spannungsänderung/Spannungsband	408
	10.4.3 Überprüfung der Netzrückwirkung	411
	10.4.4 Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit	412
	10.5 Netzanbindungen von WEA	413
	10.5.1 Schaltanlagen	414
	10.5.2 Schutzeinrichtungen	415
	10.5.3 Einbindung in das Netzleitsystem	417
	10.6 Weitere Entwicklungen in der Netzintegration und Ausblick	417
	10.6.1 Netzausbau	417
	10.6.2 Lastverschiebung	420
	10.6.3 Energiespeicherung	420
	Literatur	421
	11 Offshore-Windenergie (Lothar Dannenberg, Christian Keindorf)	423
	11.1 Einführung	423
	11.1.1 Historie und Entwicklungstrends	423
	11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA	424
	11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks	425
	11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit	426
	11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks	427
	11.2.1 Turbinen für OWEA	427
	11.2.2 Tragstrukturen für OWEA	428
	11.2.2.1 Turm	428
	11.2.2.2 Transition Piece	429
	11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA	429
	11.2.3.1 Monopile-Gründung	430
	11.2.3.2 Schwerkraftgründungen	431
	11.2.3.3 Jacket-Gründung	431
	11.2.3.4 Tripod-Gründung	432
	11.2.3.5 Tripile-Gründung	432
	11.2.3.6 Suction-Buckets	433
	11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA	434
	11.2.4.1 Spar Buoy	434
	11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP)	435
	11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform)	436
	11.2.5 Offshore-Stationen	436
	11.2.6 Seekabel	436
	11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten	437
	11.3 Einwirkungen auf OWEA	438
	11.3.1 Ständige Einwirkungen	439
	11.3.2 Aerodynamische Lasten	440
	11.3.3 Hydrostatische Lasten	440
	11.3.4 Hydrodynamische Lasten	441
	11.3.4.1 Strömungen	441
	11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen	441
	11.3.4.3 Wellen	443
	11.3.4.4 Lineare Wellentheorien	445
	11.3.4.5 Nichtlineare Wellentheorien	450
	11.3.4.6 Belastungen durch Wellen	452
	11.3.4.7 Regelmäßiger Seegang	456
	11.3.4.8 Unregelmäßiger oder natürlicher Seegang	456
	11.3.4.9 Seegangsspektren	457
	11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur	462
	11.3.6 Einwirkungen infolge Eis	462
	11.3.7 Funktionale Einwirkungen	463
	11.3.8 Außergewöhnliche Einwirkungen	464
	11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie	464
	11.4.1 Entwurfsgrundlagen	464
	11.4.2 Standortbedingungen	465
	11.4.2.1 Meterologische und ozeanographische Bedingungen	465
	11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften	465
	11.4.2.3 Kolkbildung	469
	11.4.2.4 Eisbildung	471
	11.4.2.5 Mariner Bewuchs	471
	11.4.2.6 Korrosion	472
	11.4.3 Sicherheitskonzept	474
	11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte	474
	11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen	474
	11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände	475
	11.4.3.4 Bemessungskonzept	476
	11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen	476
	11.4.5 Berechnungsmethoden	477
	11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände	478
	11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit	479
	11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung	479
	11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit	480
	11.4.6.4 Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung	481
	11.4.6.5 Weitere Nachweise	481
	Literatur	481
	Index	483

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von: Alois P. Schaffarczyk

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