Hau Windkraftanlagen

Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit
4., vollständig neu bearbeitete Auflage 2008
ISBN: 978-3-540-72151-2
Verlag: Springer
Format: PDF
Kopierschutz: 1 - PDF Watermark

E-Book, Deutsch, 910 Seiten, Web PDF

Reihe: Computer Science and Engineering (German Language)

Systematisch und umfassend stellt dieses Handbuch die Technologie moderner Windkraftanlagen dar. Der Autor schildert die technischen Grundlagen, den konstruktiven Aufbau, die Einsatzkonzeptionen, Betriebseigenschaften und die Umweltverträglichkeit bis hin zu Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen. In dieser 4., komplett neu bearbeiteten Auflage behandelt er Themen wie Offshore-Parks, Wartung und Betrieb noch intensiver. Die Technik reifte in Deutschland zur Weltspitze und bleibt ein Wachstumsmarkt. Der Autor ist anerkannter und erfolgreicher Berater der Industrie und Wirtschaft. Er begleitete die Entwicklung von Anfang an und eignete sich dabei ein unschätzbares Fachwissen an, das er in diesem Standardwerk mit allen Interessierten teilt.

Zielgruppe

Professional/practitioner

Autoren/Hrsg.

Hau, Erich

Inhaltsverzeichnis

Windmühlen und Windräder.- Strom aus Wind – Die ersten Versuche.- Bauformen von Windkraftanlagen.- Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung.- Aerodynamik des Rotors.- Belastungen und Strukturbeanspruchungen.- Rotorblätter.- Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus.- Elektrisches System.- Regelung und Betriebsführung.- Schwingungsverhalten.- Der Turm.- Windverhältnisse.- Leistungsabgabe und Energielieferung.- Umweltverhalten.- Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche.- Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere.- Planung, Errichtung und Betrieb.- Kosten von Windkraftanlagen und Anwendungsprojekten.- Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie.

Leseproben

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.

Über Autor(innen)

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.