Windkraftanlagen (eBook)

Dipl.-Ing. Erich Hau, Jahrgang 1941, studierte an den Technischen Universitäten Stuttgart und München Luft- und Raumfahrttechnik. Während seiner Tätigkeit als Entwicklungs- und Projektingenieur bei „MAN Neue Technologie" in München kam er Ende der 70-er Jahre zum ersten Mal mit der Windenergietechnik in Berührung. In dieser Zeit entstanden in vielen Ländern die ersten großen Versuchs-Windkraftanlagen. Das deutsche Projekt „Growian" und weitere Experimentalanlagen bildeten den Hintergrund für seine theoretischen Arbeiten auf dem Gebiet der Windkraft-Aerodynamik und der Systemauslegung von Windkraftanlagen. Für zwei Jahre gehörte Hau dem Vorstand des neu gegründeten Instituts für Solare Energieversorgungstechnik an der Universität Kassel an. In München gründete er anschließend sein Ingenieurbüro ETAPLAN, mit dem er an der Planung von großen Windparkprojekten im In- und Ausland, aber auch an Projekten im Kraftwerksbereich beteiligt war.

Vorwort zur vierten Auflage 5
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage 7
Inhaltsverzeichnis 9
Häufig verwendete Symbole 20
Windmühlen undWindräder 22
1.1 Über die Ursprünge derWindmühlen 22
1.2 EuropäischeWindmühlentypen 25
1.3 Wirtschaftliche Bedeutung derWindmühlen 33
1.4 Wissenschaft und technische Entwicklung imWindmühlenbau 35
1.5 Die amerikanischeWindturbine 39
Literatur 43
Strom ausWind – Die ersten Versuche 44
2.1 Poul La Cour – Ein Pionier in Dänemark 44
2.2 Windkraftwerke – Große Pläne in Deutschland 50
2.3 1 250 kW aus demWind – Die erste Großanlage in den USA 54
2.4 Windkraftanlagen in den 50er Jahren – Vor der Energiekrise 57
2.5 Nach der Energiekrise – Aufbruch in die moderne Windenergienutzung 65
2.6 Die großen Versuchsanlagen der 80er Jahre 68
2.7 Der erste Erfolg der kleinenWindkraftanlagen in Dänemark 77
2.8 Die amerikanischenWindfarmen 79
Literatur 84
Bauformen vonWindkraftanlagen 86
3.1 Rotorenmit vertikaler Drehachse 87
3.2 Horizontalachsen-Rotoren 90
3.3 Windenergie-Konzentratoren 93
3.4 Begriffe und Bezeichnungen 98
Literatur 99
Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung 100
4.1 Die elementare Impulstheorie nach Betz 100
4.2 Widerstands- und auftriebsnutzendeWindenergiewandler 105
Literatur 108
Aerodynamik des Rotors 109
5.1 Physikalisch-mathematische Modelle und Berechnungsverfahren 110
5.2 Leistungscharakteristik des Rotors 123
5.3 Aerodynamische Leistungsregelung 127
5.4 Das aerodynamische Profil 143
5.5 Konzeptionelle Rotormerkmale und Leistungscharakteristik 157
5.6 Ausgeführte Rotorblätter 171
5.7 Windrichtungsnachführung des Rotors 174
5.8 Aerodynamik der Vertikalachsen-Rotoren 178
5.9 Experimentelle Rotoraerodynamik 183
Literatur 188
Belastungen und Strukturbeanspruchungen 190
6.1 Belastungsarten und ihreWirkung auf dieWindkraftanlage 191
6.2 Koordinatensysteme und Bezeichnungen 193
6.3 Ursachen der Belastungen 194
6.4 Lastannahmen 211
6.5 Maschinenstatus und Lastfälle 222
6.6 Beanspruchsarten und Strukturdimensionierung 227
6.7 Ermüdungsfestigkeit 228
6.8 Konzeptmerkmale und Strukturbeanspruchungen 239
6.9 Meßtechnische Erfassung der Strukturbeanspruchungen 251
Literatur 256
Rotorblätter 258
7.1 Materialfragen 259
7.2 Vorbild: Flugzeugtragflügel 261
7.3 Frühere experimentelle Bauweisen von Rotorblättern 264
7.4 Moderne Rotorblätter in Faserverbundtechnik 277
7.5 Blattanschluß zur Rotornabe 283
7.6 Rotorblattbauweisen im Vergleich 287
7.7 Aerodynamische Bremsklappen 291
7.8 Blitzschutz 293
7.9 Enteisung 294
Literatur 295
Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus 296
8.1 Grundsätzliche Überlegung zur Leistungsübertragung 297
8.2 Experimentelle Konzeptionen 300
8.3 Heutige Standardbauweisen 303
8.4 Rotornabe 306
8.5 Blattverstellmechanismus 313
8.6 Rotorlagerung 326
8.7 Rotorbremse 335
8.8 Übersetzungsgetriebe 338
8.9 Drehzahlvariable Überlagerungsgetriebe 349
8.10 Torsionselastizität immechanischen Triebstrang 351
8.11 Einbau des elektrischen Generators 354
8.12 Maschinenhaus 357
8.13 Windrichtungsnachführung 365
8.14 Zusammenbau und Funktionsprüfung 369
Literatur 371
Elektrisches System 372
9.1 Generatorbauarten 373
9.2 Beurteilungskriterien für den Einsatz elektrischer Generatoren inWindkraftanlagen 383
9.3 Drehzahlfeste Generatorenmit direkter Netzkopplung 386
9.4 Drehzahlvariable Generatorsystememit Frequenzumrichter 393
9.5 Direkt vom Rotor angetriebene drehzahlvariable Generatorsysteme 403
9.6 Elektrische Gesamtausrüstung derWindkraftanlage 407
9.7 Elektrotechnische Konzeptionen im Vergleich 412
Literatur 415
Regelung und Betriebsführung 416
10.1 Betriebsdatenerfassung 417
10.2 Sicherheitssystem 422
10.3 Prinzipielle Funktionsweise der Regelungssysteme 422
10.4 Windrichtungsnachführung 424
10.5 Leistungsregelung und Drehzahlführung durch Verstellen des Rotorblatteinstellwinkels 426
10.6 Leistungsbegrenzung durch den aerodynamischen Stall 441
10.7 Betriebsführung und Betriebszyklus 446
Literatur 452
Schwingungsverhalten 453
11.1 Anregenden Kräfte und Schwingungsfreiheitsgrade 454
11.2 Aeroelastisches Verhalten der Rotorblätter 456
11.3 Torsionsschwingungen des Triebstrangs 462
11.4 Dynamik derWindrichtungsnachführung 472
11.5 Schwingungen der Gesamtanlage 477
11.6 Rechnerische Simulation des Schwingungsverhaltens 485
Literatur 489
Der Turm 490
12.1 Bauarten und Varianten 491
12.2 Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen 494
12.3 Turmauslegung nach deutschen Bauvorschriften 496
12.4 Freitragende Stahlrohrtürme 497
12.5 Betontürme 505
12.6 Gittertürme 512
12.7 Turm-Konzeptionen imVergleich 515
12.8 Fundament 517
Literatur 520
Windverhältnisse 521
13.1 Ursachen desWindes und globale Verteilung dermittlerenWindgeschwindigkeiten 521
13.2 Windverhältnisse in Europa und in Deutschland 524
13.3 Charakteristische Größen und Gesetzmäßigkeiten 528
13.4 LokaleWindverhältnisse – Topographie und Hindernisse 542
13.5 Ermittlung derWindgeschwindigkeit 544
Literatur 554
Leistungsabgabe und Energielieferung 555
14.1 VomRotorleistungskennfeld zur effektiven Anlagenleistung 556
14.2 Normierte Leistungskennlinie 567
14.3 Aufstellortbezogene Einflüsse auf die Leistungskennlinie 575
14.4 Gleichförmigkeit der Leistungsabgabe 583
14.5 Jahresenergielieferung 585
14.6 Wichtige Entwurfsparameter und Energielieferung 598
Literatur 611
Umweltverhalten 613
15.1 Gefahren für die Umgebung 614
15.2 Geräuschentwicklung 618
15.3 Schattenwurf 629
15.4 Störungen von Funk und Fernsehen 633
15.5 Störungen der Vogelwelt 636
15.6 Landverbrauch 637
15.7 Optische Beeinträchtigung der Landschaft 639
15.8 Windenergienutzung und Klimaschutz 641
Literatur 644
Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche 646
16.1 Windkraftanlagen imInselbetrieb 647
16.2 Inselnetzemit Dieselgeneratoren undWindkraftanlagen 662
16.3 Windkraftanlagen imVerbund mit dem Stromnetz 667
16.4 Windkraftanlagen imKraftwerkverbund der Energieversorgungsunternehmen 672
16.5 Windkraftanlagenindustrie, Absatzmärkte, Windenergiepotential 679
Literatur 692
Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere 694
17.1 Technische Probleme der Offshore-Aufstellung vonWindkraftanlagen 695
17.2 Transport undMontage 709
17.3 Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen 712
17.4 Offshore-Windenergienutzung imBereich der Nord- und Ostsee 715
Literatur 734
Planung, Errichtung und Betrieb 736
18.1 Projektentwicklung 737
18.2 Genehmigungsverfahren 739
18.3 Technische Auslegung vonWindparks 747
18.4 Transportprobleme 763
18.5 Errichtung am Aufstellort 767
18.6 Inbetriebnahme 781
18.7 Technische Betriebsführung 784
18.8 Betriebssicherheit 792
18.9 Wartung und Instandsetzung 802
Literatur 810
Kosten vonWindkraftanlagen und Anwendungsprojekten 812
19.1 Herstellkosten und Verkaufspreise vonWindkraftanlagen 813
19.2 Investitionskosten von schlüsselfertigen Anwendungsprojekten 842
19.3 Betriebskosten 852
19.4 Offshore-Projekte 857
Literatur 864
Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie 865
20.1 Finanzierung und gesellschaftsrechtliche Organisation des Investitionsvorhabens 866
20.2 Stromerzeugungskosten und Amortisationszeiten 869
20.3 Stromerzeugungskosten ausWindenergie im Vergleich zu anderen Energiesystemen 884
20.4 Energetische Amortisation vonWindkraftanlagen 887
20.5 Beschäftigungseffekt derWindkraftnutzung 888
20.6 Bedeutung der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Nutzung der erneuerbaren Energien 889
Literatur 891
Deutsch – Englisch 893
Englisch – Deutsch 904
Index 915

Kapitel 5

Aerodynamik des Rotors (S. 89-90)

Der Rotor steht am Anfang der Wirkungskette einer Windkraftanlage. Seine aerodynamischen und dynamischen Eigenschaften sind deshalb in mehrfacher Hinsicht prägend für das gesamte System. Die Fähigkeit des Rotors, einen möglichst hohen Anteil der die Rotorkreisfläche durchströmenden Windenergie in mechanische Arbeit umzusetzen, ist offensichtlich eine direkte Folge seiner aerodynamischen Eigenschaften. Der damit weitgehend festgelegte Gesamtwirkungsgrad der Energiewandlung ist für die Windkraftanlage wie für jedes andere regenerative Energieerzeugungssystem von nicht zu unterschätzender Bedeutung im Hinblick auf die Wirtschaftlichkeit.

Weniger augenscheinlich, aber kaum weniger von Bedeutung, sind die aerodynamischen Eigenschaften des Rotors im Hinblick auf seine Fähigkeit, das unstete Energieangebot des Windes in ein möglichst gleichförmiges Drehmoment umzusetzen und dabei die unvermeidlichen dynamischen Belastungen für die Anlage so niedrig wie möglich zu halten. Je besser er dieser Aufgabe gerecht wird, umso unproblematischer ist die Belastungssituation für die nachgeordneten mechanischen und elektrischen Komponenten.

Weitere Gesichtspunkte, unter denen die aerodynamischen Rotoreigenschaften gesehen werden müssen, sind die Regelung und Betriebsführung der Windkraftanlage und das aerodynamisch bedingte Geräusch. Ein ungünstiges Drehmomentenverhalten oder ein kritisches Strömungsablöseverhalten der Rotorblätter können die Betriebsweise außerordentlich erschweren. Die Betriebsführung und Regelung der Anlage muß deshalb den aerodynamischen Qualitäten des Rotors angepaßt werden. Rotoren mit hohen Blattspitzengeschwindigkeiten verursachen aerodynamische Geräusch die an vielen Standorten nicht toleriert werden können.

Die Rotoraerodynamik erhält vor diesem Hintergrund ihre systemdurchdringende Bedeutung. Ohne ein Mindestmaß an Kenntnissen des aerodynamischen Verhaltens des Rotors ist ein Gesamtverständnis der Funktion einer Windkraftanlage nicht möglich. Hinzu kommt, das der Rotor einer Windkraftanlage bis zu einem gewissen Grade die ,,windkraft- anlagenspezifische“ Komponente bildet und deshalb ohne Beispiel aus anderen Bereichen der Technik berechnet und konstruiert werden muß.

Aus den genannten Gründen räumt dieses Buch den aerodynamischen Eigenschaften des Rotors einen vergleichsweise breiten Raum ein. Die Absicht liegt dabei weniger in einer detaillierten Beschreibung der aerodynamischen Theorie, sondern vielmehr in der Darstellung der Zusammenhänge der wesentlichen Auslegungsparameter des Rotors und seiner Eigenschaften als Energiewandler.

5.1 Physikalisch-mathematische Modelle und Berechnungsverfahren

Die aerodynamische Auslegung von Windrotoren verlangt mehr als die Kenntnis elementarer physikalischer Gesetzmaßigkeiten der Energiewandlung. Auf der einen Seite stellt sich das Problem, ausgehend von der konkreten Gestalt des Rotors, zum Beispiel der Anzahl der Form der Rotorblätter und des aerodynamischen Profils, die aerodynamischen Eigenschaften des Rotors zu finden.

Die ,,Entwurfsaerodynamik“ ist noch komplexer, sie erfordert die Berücksichtigung zahlreicher weiterer Aspekte insbesondere der Festigkeit und Steifigkeit der Rotorblätter und der aerodynamisch bedingten Geräuscherzeugung des Rotors. Im praktischen Entwurfsverfahren geschieht dies, wie in den meisten technischen Entwurfsaufgaben, auf iterative Weise. Zu Beginn existiert die Vorstellung von einer Rotorform, die gewisse gewünschte Eigenschaften zu haben verspricht. Für diese Konfiguration wird eine Berechnung durchgeführt und geprüft, inwieweit das erwartete Ergebnis eintrifft . Im Regelfall werden die Ergebnisse im ersten Anlauf nicht voll befriedigen.Das physikalisch-mathematische Berechnungsmodell vermittelt die Einsichten, in welcher Weise die vorgegebenen Parameter des Rotorentwurfes das Endergebnis beeinflussen. Damit ist die Moglichkeit gegeben, durch entsprechend zielgerichtete Korrekturen den Entwurf zu verbessern. Die heute angewandten Berechnungsmodelle zur aerodynamischen Auslegung von Windrotoren zu beschreiben hieße, den Rahmen dieses Buches zu sprengen. Dennoch werden die wesentlichen Ansätze der aerodynamischen Rotortheorie erläutert, da sie für dasVerständnis der Berechnungsergebnisse und damit der Gestalt von Windrotoren nützlich sind.