Hau Windkraftanlagen

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

E-Book, Deutsch, 910 Seiten

Expertenwissen für Fachleute - das systematische, umfassende und bewährte Standardwerk zur Technologie moderner Windkraftanlagen: Grundlagen, konstruktiver Aufbau, Einsatzkonzeptionen, Betriebseigenschaften und Umweltverträglichkeit bis hin zu Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen. Die 4., komplett neu bearbeitete Auflage ist auf dem aktuellen Stand der Technik. Sie ermöglicht Lesern eine schnelle Orientierung und enthält viele detaillierte Abbildungen.

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.

Autoren/Hrsg.

Hau, Erich

Inhaltsverzeichnis

1;Vorwort zur vierten Auflage;5
2;Aus dem Vorwort zur ersten Auflage;7
3;Inhaltsverzeichnis;9
4;Häufig verwendete Symbole;20
5;Windmühlen undWindräder;22
5.1;1.1 Über die Ursprünge derWindmühlen;22
5.2;1.2 EuropäischeWindmühlentypen;25
5.3;1.3 Wirtschaftliche Bedeutung derWindmühlen;33
5.4;1.4 Wissenschaft und technische Entwicklung imWindmühlenbau;35
5.5;1.5 Die amerikanischeWindturbine;39
5.6;Literatur;43
6;Strom ausWind – Die ersten Versuche;44
6.1;2.1 Poul La Cour – Ein Pionier in Dänemark;44
6.2;2.2 Windkraftwerke – Große Pläne in Deutschland;50
6.3;2.3 1 250 kW aus demWind – Die erste Großanlage in den USA;54
6.4;2.4 Windkraftanlagen in den 50er Jahren – Vor der Energiekrise;57
6.5;2.5 Nach der Energiekrise – Aufbruch in die moderne Windenergienutzung;65
6.6;2.6 Die großen Versuchsanlagen der 80er Jahre;68
6.7;2.7 Der erste Erfolg der kleinenWindkraftanlagen in Dänemark;77
6.8;2.8 Die amerikanischenWindfarmen;79
6.9;Literatur;84
7;Bauformen vonWindkraftanlagen;86
7.1;3.1 Rotorenmit vertikaler Drehachse;87
7.2;3.2 Horizontalachsen-Rotoren;90
7.3;3.3 Windenergie-Konzentratoren;93
7.4;3.4 Begriffe und Bezeichnungen;98
7.5;Literatur;99
8;Physikalische Grundlagen der Windenergiewandlung;100
8.1;4.1 Die elementare Impulstheorie nach Betz;100
8.2;4.2 Widerstands- und auftriebsnutzendeWindenergiewandler;105
8.3;Literatur;108
9;Aerodynamik des Rotors;109
9.1;5.1 Physikalisch-mathematische Modelle und Berechnungsverfahren;110
9.2;5.2 Leistungscharakteristik des Rotors;123
9.3;5.3 Aerodynamische Leistungsregelung;127
9.4;5.4 Das aerodynamische Profil;143
9.5;5.5 Konzeptionelle Rotormerkmale und Leistungscharakteristik;157
9.6;5.6 Ausgeführte Rotorblätter;171
9.7;5.7 Windrichtungsnachführung des Rotors;174
9.8;5.8 Aerodynamik der Vertikalachsen-Rotoren;178
9.9;5.9 Experimentelle Rotoraerodynamik;183
9.10;Literatur;188
10;Belastungen und Strukturbeanspruchungen;190
10.1;6.1 Belastungsarten und ihreWirkung auf dieWindkraftanlage;191
10.2;6.2 Koordinatensysteme und Bezeichnungen;193
10.3;6.3 Ursachen der Belastungen;194
10.4;6.4 Lastannahmen;211
10.5;6.5 Maschinenstatus und Lastfälle;222
10.6;6.6 Beanspruchsarten und Strukturdimensionierung;227
10.7;6.7 Ermüdungsfestigkeit;228
10.8;6.8 Konzeptmerkmale und Strukturbeanspruchungen;239
10.9;6.9 Meßtechnische Erfassung der Strukturbeanspruchungen;251
10.10;Literatur;256
11;Rotorblätter;258
11.1;7.1 Materialfragen;259
11.2;7.2 Vorbild: Flugzeugtragflügel;261
11.3;7.3 Frühere experimentelle Bauweisen von Rotorblättern;264
11.4;7.4 Moderne Rotorblätter in Faserverbundtechnik;277
11.5;7.5 Blattanschluß zur Rotornabe;283
11.6;7.6 Rotorblattbauweisen im Vergleich;287
11.7;7.7 Aerodynamische Bremsklappen;291
11.8;7.8 Blitzschutz;293
11.9;7.9 Enteisung;294
11.10;Literatur;295
12;Mechanischer Triebstrang und Maschinenhaus;296
12.1;8.1 Grundsätzliche Überlegung zur Leistungsübertragung;297
12.2;8.2 Experimentelle Konzeptionen;300
12.3;8.3 Heutige Standardbauweisen;303
12.4;8.4 Rotornabe;306
12.5;8.5 Blattverstellmechanismus;313
12.6;8.6 Rotorlagerung;326
12.7;8.7 Rotorbremse;335
12.8;8.8 Übersetzungsgetriebe;338
12.9;8.9 Drehzahlvariable Überlagerungsgetriebe;349
12.10;8.10 Torsionselastizität immechanischen Triebstrang;351
12.11;8.11 Einbau des elektrischen Generators;354
12.12;8.12 Maschinenhaus;357
12.13;8.13 Windrichtungsnachführung;365
12.14;8.14 Zusammenbau und Funktionsprüfung;369
12.15;Literatur;371
13;Elektrisches System;372
13.1;9.1 Generatorbauarten;373
13.2;9.2 Beurteilungskriterien für den Einsatz elektrischer Generatoren inWindkraftanlagen;383
13.3;9.3 Drehzahlfeste Generatorenmit direkter Netzkopplung;386
13.4;9.4 Drehzahlvariable Generatorsystememit Frequenzumrichter;393
13.5;9.5 Direkt vom Rotor angetriebene drehzahlvariable Generatorsysteme;403
13.6;9.6 Elektrische Gesamtausrüstung derWindkraftanlage;407
13.7;9.7 Elektrotechnische Konzeptionen im Vergleich;412
13.8;Literatur;415
14;Regelung und Betriebsführung;416
14.1;10.1 Betriebsdatenerfassung;417
14.2;10.2 Sicherheitssystem;422
14.3;10.3 Prinzipielle Funktionsweise der Regelungssysteme;422
14.4;10.4 Windrichtungsnachführung;424
14.5;10.5 Leistungsregelung und Drehzahlführung durch Verstellen des Rotorblatteinstellwinkels;426
14.6;10.6 Leistungsbegrenzung durch den aerodynamischen Stall;441
14.7;10.7 Betriebsführung und Betriebszyklus;446
14.8;Literatur;452
15;Schwingungsverhalten;453
15.1;11.1 Anregenden Kräfte und Schwingungsfreiheitsgrade;454
15.2;11.2 Aeroelastisches Verhalten der Rotorblätter;456
15.3;11.3 Torsionsschwingungen des Triebstrangs;462
15.4;11.4 Dynamik derWindrichtungsnachführung;472
15.5;11.5 Schwingungen der Gesamtanlage;477
15.6;11.6 Rechnerische Simulation des Schwingungsverhaltens;485
15.7;Literatur;489
16;Der Turm;490
16.1;12.1 Bauarten und Varianten;491
16.2;12.2 Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen;494
16.3;12.3 Turmauslegung nach deutschen Bauvorschriften;496
16.4;12.4 Freitragende Stahlrohrtürme;497
16.5;12.5 Betontürme;505
16.6;12.6 Gittertürme;512
16.7;12.7 Turm-Konzeptionen imVergleich;515
16.8;12.8 Fundament;517
16.9;Literatur;520
17;Windverhältnisse;521
17.1;13.1 Ursachen desWindes und globale Verteilung dermittlerenWindgeschwindigkeiten;521
17.2;13.2 Windverhältnisse in Europa und in Deutschland;524
17.3;13.3 Charakteristische Größen und Gesetzmäßigkeiten;528
17.4;13.4 LokaleWindverhältnisse – Topographie und Hindernisse;542
17.5;13.5 Ermittlung derWindgeschwindigkeit;544
17.6;Literatur;554
18;Leistungsabgabe und Energielieferung;555
18.1;14.1 VomRotorleistungskennfeld zur effektiven Anlagenleistung;556
18.2;14.2 Normierte Leistungskennlinie;567
18.3;14.3 Aufstellortbezogene Einflüsse auf die Leistungskennlinie;575
18.4;14.4 Gleichförmigkeit der Leistungsabgabe;583
18.5;14.5 Jahresenergielieferung;585
18.6;14.6 Wichtige Entwurfsparameter und Energielieferung;598
18.7;Literatur;611
19;Umweltverhalten;613
19.1;15.1 Gefahren für die Umgebung;614
19.2;15.2 Geräuschentwicklung;618
19.3;15.3 Schattenwurf;629
19.4;15.4 Störungen von Funk und Fernsehen;633
19.5;15.5 Störungen der Vogelwelt;636
19.6;15.6 Landverbrauch;637
19.7;15.7 Optische Beeinträchtigung der Landschaft;639
19.8;15.8 Windenergienutzung und Klimaschutz;641
19.9;Literatur;644
20;Anwendungskonzeptionen und Einsatzbereiche;646
20.1;16.1 Windkraftanlagen imInselbetrieb;647
20.2;16.2 Inselnetzemit Dieselgeneratoren undWindkraftanlagen;662
20.3;16.3 Windkraftanlagen imVerbund mit dem Stromnetz;667
20.4;16.4 Windkraftanlagen imKraftwerkverbund der Energieversorgungsunternehmen;672
20.5;16.5 Windkraftanlagenindustrie, Absatzmärkte, Windenergiepotential;679
20.6;Literatur;692
21;Windenergienutzung im Küstenvorfeld der Meere;694
21.1;17.1 Technische Probleme der Offshore-Aufstellung vonWindkraftanlagen;695
21.2;17.2 Transport undMontage;709
21.3;17.3 Betrieb von Offshore-Windkraftanlagen;712
21.4;17.4 Offshore-Windenergienutzung imBereich der Nord- und Ostsee;715
21.5;Literatur;734
22;Planung, Errichtung und Betrieb;736
22.1;18.1 Projektentwicklung;737
22.2;18.2 Genehmigungsverfahren;739
22.3;18.3 Technische Auslegung vonWindparks;747
22.4;18.4 Transportprobleme;763
22.5;18.5 Errichtung am Aufstellort;767
22.6;18.6 Inbetriebnahme;781
22.7;18.7 Technische Betriebsführung;784
22.8;18.8 Betriebssicherheit;792
22.9;18.9 Wartung und Instandsetzung;802
22.10;Literatur;810
23;Kosten vonWindkraftanlagen und Anwendungsprojekten;812
23.1;19.1 Herstellkosten und Verkaufspreise vonWindkraftanlagen;813
23.2;19.2 Investitionskosten von schlüsselfertigen Anwendungsprojekten;842
23.3;19.3 Betriebskosten;852
23.4;19.4 Offshore-Projekte;857
23.5;Literatur;864
24;Wirtschaftlichkeit der Stromerzeugung aus Windenergie;865
24.1;20.1 Finanzierung und gesellschaftsrechtliche Organisation des Investitionsvorhabens;866
24.2;20.2 Stromerzeugungskosten und Amortisationszeiten;869
24.3;20.3 Stromerzeugungskosten ausWindenergie im Vergleich zu anderen Energiesystemen;884
24.4;20.4 Energetische Amortisation vonWindkraftanlagen;887
24.5;20.5 Beschäftigungseffekt derWindkraftnutzung;888
24.6;20.6 Bedeutung der energiewirtschaftlichen Rahmenbedingungen für die Nutzung der erneuerbaren Energien;889
24.7;Literatur;891
24.8;Deutsch – Englisch;893
24.9;Englisch – Deutsch;904
25;Index;915

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.