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Windkraftanlagen: Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb

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Bibliographic Details
Format:	Book
Language:	German
Published:	Wiesbaden Teubner 2005
Edition:	4., vollst. überarb. und erw. Aufl.
Series:	Lehrbuch Maschinenbau
Subjects:	Nutzung Windenergie Windkraftwerk Aufsatzsammlung Lehrbuch
Online Access:	Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis
Physical Description:	XXIV, 577 S. Ill., graph. Darst.
ISBN:	3519363348

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adam_text	ROBERT GASCH, JOCHEN TWELE WINDKRAFTANLAGEN GRUNDLAGEN, ENTWURF, PLANUNG UND BETRIEB 4., VOLLSTAENDIG UEBERARBEITETE UND ERWEITERTE AUFLAGE 2005 PROF. DR.-ING. ROBERT GASCH DR.-ING. JOCHEN TWELE DR.-ING. R BADE DIPL.-ING. W. CONRAD PROF. DR.-ING. R. GASCH DR.-ING. C. HEILMANN DR.-ING. K, KAISER DR.-ING. R. KORTENKAMP PROF. DR. DIPL.-ING. M. KUEHN DIPL.-ING. W. LANGREDER DIPL.-ING. J. LIERSCH DR.-ING. J. MAURER DR.-ING. A. REUTER DIPL.-ING. M. SCHUBERT DIPL.-ING. B. SUNDERMANN PROF. DR. A. STOFFEL DR.-ING. J. TWELE HERAUSGEBER: TECHNISCHE UNIVERSITAET BERUEN TECHNISCHE UNIVERSITAET BERLIN VERFASSER: SUZLON ENERGY GMBH TU BERLIN DEUTSCHE WINDGUARD DYNAMICS GMBH AERO- & STRUCTURAL DYNAMICS SUZLON ENERGY GMBH UNIVERSITAET STUTTGART WIND-SOLUTIONS GMBH DEUTSCHE WINDGUARD DYNAMICS GMBH SFEGMBH RSBCONSULTGMBH REPOWER SYSTEMS AG GE WIND GMBH FH KOELN ECOFYS GMBH TEUBNER INHALT 0 FRAGEBOGEN VON MAX FRISCH 1 EINLEITUNG 1 1.1 WINDENERGIE IM JAHR 2005 1 1.2 ENERGIE- UND STROMBEDARF 3 1.3 ENERGIEPOLITISCHE INSTRUMENTE DER REGIERUNGEN 9 1.4 TECHNOLOGISCHE ENTWICKLUNG 13 2 AUS DER GESCHICHTE DER WINDRAEDER 16 2.1 WINDRAEDER MIT VERTIKALER ACHSE 16 2.2 WINDRAEDER MIT HORIZONTALER ACHSE 20 2.2.1 VON DER BOCKWINDMUEHLE ZUR WESTERNMILL 20 2.2.2 TECHNISCHE NEUERUNGEN 28 2.2.3 BEGINN UND ENDE DES ZEITALTERS DER WINDKRAFTNUTZUNG IM ABENDLAND 31 2.2.4 DIE ZEIT NACH DEM ERSTEN WELTKRIEG BIS ENDE DER 60ER JAHRE 32 2.2.5 DIE RENAISSANCE DER WINDENERGIE NACH 1980 34 2.3 DIE PHYSIK DER WINDENERGIENUTZUNG 35 2.3.1 WINDLEISTUNG 35 2.3.2 WIDERSTANDSLAEUFER 38 2.3.3 AUFTRIEBSNUTEENDE WINDRAEDER 43 2.3.4 VERGLEICH VON WIDERSTANDS- UND AUFTRIEBSLAEUFER 46 3 KONSTRUKTIVER AUFBAU VON WINDKRAFTANLAGEN 51 3.1 ROTOR 54 3.1.1 ROTORBLATT 60 3.1.2 NABE 66 3.1.3 BLATTWINKELVERSTELLUNG 74 3.2 TRIEBSTRANG 77 3.2.1 AUFBAU 77 XIII 3.2.2 GETRIEBE 86 3.2.3 KUPPLUNGEN UND BREMSEN 93 3.2.4 GENERATOREN 95 3.3 HILFSAGGREGATE UND SONSTIGE EINRICHTUNGEN 95 3.3.1 WIND RI CHT UNGSNACHFUEHRUNG 95 3.3.2 KUEHLUNG UND HEIZUNG 98 3.3.3 BLITZSCHULZ 99 3.3.4 HEBEZEUGE 101 3.3.5 SENSORIK 102 3.4 TURM UND FUNDAMENT 103 3.4.1 TURM 103 3.4.2 FUNDAMENT 110 3.5 FERTIGUNG 112 3.6 DATEN VON WINDKRAFTANLAGEN 114 4 DER WIND 123 4.1 ENTSTEHUNG DES WINDES 123 4.1.1 GLOBALE WINDSYSTEME 123 4.1.2 GCOSTROPHISCHER WIND 124 4.1.3 LOKALE WINDE 125 4.2 ATMOSPHAERISCHE GRENZSCHICHT 127 4.2.1 BODENNAHE GRENZSCHICHT 128 4.2.2 HOEHENPROFIL DES WINDES 129 4.2.3 TURBULENZINTENSITAET 136 4.2.4 DARSTELLUNG DER GEMESSENEN WINDGESCHWINDIGKEITEN IM ZEIT- BEREICH DURCH HISTOGRAMM UND VERTEILUNGSFUNKTION 139 4.2.5 SPEKTRALE DARSTELLUNG DES WINDES 145 4.3 ENNITTLUNG VON LEISTUNG, ERTRAG UND BELASTUNGSGROESSEN 148 4.3.1 ERTRAGSABSCHAETZUNG MIT HILFE DER HISTOGRAMME VON WINDGESCHWINDIGKEIT UND LEISTUNG 149 4.3.2 ERTRAGSEMIITTLUNG AUS WEIBULL UND LEISTUNGSKENNLINIE 149 4.3.3 VERMESSUNG DER LEISTUNGSKURVE 151 XIV 4.3.4 ERTRAGSABSCHAETZUNG EINES WINDPARKS 153 4.3.5 BELASTUNGSGROESSCN 155 4.4 WINDMESSUNG UND AUSWERTUNG 164 4.4.1 SCHALENKREUZANEMOMETCR 164 4.4.2 ULTRASCHALLANEMOMETER 166 4.4.3 SODAR 168 4.5 PROGNOSEMETHODEN 170 4.5.1 WIND ATLAS ANALYSIS AND APPLICATION PROGRAMME 170 4.5.2 MESO-SCALE MODELLE 173 4.5.3 MEASURE-CORRELATE-PREDICT-METHODE 174 5 AUSLEGUNG VON WINDTURBINEN NACH BETZ UND SCHMITZ 179 5.1 WAS LAESST SICH AUS DEM WIND AN LEISTUNG ENTNEHMEN? 179 5.1.1 FROUDE-RANKINESCHES THEOREM 184 5.2 DIE TRAGFLUEGELTHEORIE 185 5.3 ANSTROEMVERHAELTNISSE UND LUFTKRAEFTE AM ROTIERENDEN FLUEGEL 190 5.3.1 WINDDREIECKE 190 5.3.2 LUFTKRAEFTE AM ROTIERENDEN FLUEGEL 191 5.4 DIE BETZSCHE OPTIMALAUSLEGUNG 192 5.5 VERLUSTE 195 5.5.1 PROFILVERLUSTE 197 5.5.2 TIP-VERLUSTE 199 5.5.3 DRALLVERLUSTE 201 5.6 DIE SCHMITZSCHE AUSLEGUNG UNTER BERUECKSICHTIGUNG DER DRALL VERLUSTE 202 5.6.1 DRALLVERLUSTE 208 5.7 PRAKTISCHES VORGEHEN BEI DER DIMENSIONIERUNG VON WINDTURBINEN 209 5.8 SCHLUSSBEMERKUNG 213 6 KENNFELDBERECHNUNG UND TEILLASTVERHALTEN 218 6.1 BERECHNUNGSVERFAHREN (BLATTELEMENTMETHODE) 218 6.2 DIMCNSIONSLOSE DARSTELLUNG DER KENNLINIEN 221 6.3 DIMENSIONSLOSE KENNLINIEN EINES SCHNELLLAEUFERS 222 XV 6.4 DIMENSIONSLOSE KENNLINIEN EINES LANGSAM LAU FERS 225 6.5 TURBINENKENNFELDER 227 6.6 ANSTROEMVERHAELTNISSE 229 6.6.1 SCHNELLLAEUFER - LANGSAMLAEUFER: ZUSAMMENFASSUNG 229 6.6.2 ANSTROEMUNG EINES LANGSAMLAEUFERS 231 6.6.3 ANSTROEMUNG EINES SCHNELLLAEUFERS 235 6.7 VERHALTEN VON SCHNELLLAEUFERN BEI PITCHVERSTELLUNG 238 6.8 ERWEITERUNG DES BERECHNUNGSVERFAHRENS 242 6.8.1 ANLAUFBEREICH X XJ (HOHE AUFTRIEBSBEIWERTE) 243 6.8.2 LEERLAUFBEREICH X AEA (GLAUERTS EMPIRISCHE FORMEL) 245 6.8.3 PROFILWIDERSTAND 247 6.8.4 ERWEITERTE ITERATION 248 6.9 GRENZEN DER BLATTELEMENTMETHODE UND DREIDIMENSIONALE BERECHNUNGSVERFAHREN 250 6.9.1 VERAENDERUNG DER PROFILPOLARE DURCH 3D-EFFEKTE 251 6.9.2 INSTATIONAERE EFFEKTE IN DER NAEHE DES STROEMUNGSABRISSES 252 6.9.3 SINGULARITAETENVERFAHREN 254 6.9.4 NUMERISCHE STROEMUNGSSIMULATION BEI WINDKRAFTANLAGEN 254 6.9.5 BEISPIELE FUER CFD BEI WINDKRAFTANLAGEN 255 6.9.6 HINWEISE ZUR CFD-BERECHNUNG VON WINDKRAFTANLAGEN 260 7 MODELLGESETZE UND AEHNLICHKEITSREGELN 267 7.1 ANWENDUNGEN DER AEHNLICHKEITSTHEORIE 267 7.2 BIEGESPANNUNGEN 271 7.3 ZUGSPANNUNGEN IN DER FLUEGELWURZEL AUS DEN FLIEHKRAEFTEN 272 7.4 BIEGESPANNUNGEN IN DER FLUEGELWURZEL AUFGRUND DES GEWICHTS 274 7.5 VERAENDERUNG DER EIGENFREQUENZEN DES FLUEGELS UND DER FREQUENZVERHAELTNISSE 275 7.6 LUFTKRAFTDAEMPFUNGEN 277 7.7 GRENZEN DES SKALIERENS - WIE GROSS KOENNEN WINDTURBINEN WERDEN? 279 STRUKTURDYNAMIK 282 8.1 DYNAMISCHE ANREGUNGEN 283 8.1.1 MASSEN-, TRAEGHEITS- UND GEWICHTSKRAEFTE 284 8.1.2 AERODYNAMISCHE UND HYDRODYNAMISCHE LASTEN 286 8.! .3 TRANSIENTE ANREGUNGEN AUS MANOEVERN UND DURCH STOERUNGEN 292 8.2 FREIE UND ERZWUNGENE SCHWINGUNGEN VON WINDTURBINEN - BEISPIELE, PHAENOMENOLOGIE 293 8.2.1 TURM-GONDEL-DYNAMIK 293 8.2.2 BLATTSCHWINGUNGEN 299 8.2.3 TRIEB STRANGSCHWINGUNGEN 303 8.2.4 TEILMODELLE - GESAMTSYSTEM 304 8.2.5 INSTABILITAETEN UND WEITERE AEROELASTISEHE PROBLEME 306 8.3 SIMULATION DER GESAMTDYNAMIK 309 8.3.1 MODELLBILDUNG IN SIMULATIONSPROGRAMMEN 309 8.3.2 EINSATZ VON SIMULATIONSPROGRAMMEN 312 8.4 VALIDIERUNG DURCH MESSUNGEN 313 RICHTLINIEN UND NACHWEISVERFAHREN 316 9.1 ZERTIFIZIERUNG 316 9.1.1 RICHTLINIEN ZUR ZERTIFIZIERUNG: 1EC 61400 317 9.1.2 RICHTLINIE FUER DIE ZERTIFIZIERUNG VON WINDENERGIEANLAGEN DES GERMANISCHEN LLOYD 318 9.1.3 DIE GUIDELINES FOR DESIGN OF WIND TURBINES DES DNV 318 9.1.4 RICHTLINIE FUER WINDENERGIEANLAGEN, EINWIRKUNGEN UND STANDSI- CHERHEITSNACHWEISE FUER TURM UND GRUENDUNG (DIBT-RICHTLINIE).. 318 9.1.5 SONSTIGE NORMEN UND RICHTLINIEN 318 9.1.6 WINDKLASSEN UND STANDORTKATEGORIEN 319 9.1.7 LASTFALLDEFMITIONEN 320 9.2 NACHWEISKONZEPTE 320 9.2.1 GRENZZUSTAND DER TRAGFAEHIGKEIT UND DAS KONZEPT DER PARTIELLEN SICHERHEITSFAKTOREN 321 9.2.2 GEBRAUCHSTAUGLICHKEITSNACHWEIS 322 XVII 9.2.3 GRUNDLAGEN DES BETRIEBSFESTIGKEITSNACHWEISES 323 9.3 BEISPIELNACHWEIS STAHLROHRTURM - EINACHSIGER SPANNUNGSZUSTAND UND ISOTROPES MATERIAL 326 9.3.1 TRAGFAEHIGKEITSNACHWEIS, NACHWEIS EXTREMLASTEN 326 9.3.2 NACHWEIS DER BETRIEBSFESTIGKEIT 328 9.3.3 GEBRAUCHSTAUGLICHKEITSNACHWEIS, NACHWEIS DER EIGENFREQUENZ 329 9.4 NACHWEIS DER ROTORNABE FUER MEHRACHSIGEN SPANNUNGSZUSTAND UND ISOTROPES MATERIAL 330 9.4.1 GEOMETRISCHE AUSLEGUNG 330 9.4.2 TRAGFAEHIGKEITSNACHWEIS - VERFAHREN DER KRITISCHEN SCHNITTEBENEN 331 9.4.3 BETRIEBSFESTIGKEITSNACHWEIS - VERFAHRENSABHAENGIGE WOHLERLINICN 333 9.5 NACHWEIS DER ROTORBLAETTER FUER EINACHSIGEN SPANNUNGSZUSTAND UND ORTHOTROPES MATERIAL 334 9.5.1 KONZEPT DER ZULAESSIGEN DEHNUNG ZUM NACHWEIS DER GURTE 335 9.5.2 LOKALES BAUTEIL VERSAGEN 336 9.5.3 MATERIAL AUS WAEHL UND FERTIGUNGSVERFAHREN 336 10 WINDPUMPSYSTEME 339 10.1 CHARAKTERISTISCHE ANWENDUNGEN 339 10.2 BAUARTEN WINDGETRIEBENER PUMPEN 344 10.3 ZUSAMMENWIRKEN VON WINDTURBINE UND PUMPE 352 10.3.1 SINNVOLLE KOMBINATIONEN VON WINDTURBINEN UND PUMPEN 352 10.3.2 QUALITATIVER VERGLEICH VON WINDPUMPSYSTEMEN MIT KOLBEN- UND KREISELPUMPE 355 10.4 AUSLEGUNG VON WINDPUMPSYSTEMEN 363 10.4.1 ZIEL DER AUSLEGUNG 363 10.4.2 WAHL DER NENNWINDGESCHWINDIGKEIT FUER DIE AUSLEGUNG 363 10.4.3 AUSLEGUNG VON WINDPUMPSYSTEINEN MIT KOLBENPUMPE 364 10.4.4 AUSLEGUNG VON WINDPUMPSYSTEMEN MIT KREISELPUMPE 368 11 WINDKRAFTANLAGEN ZUR STROMERZEUGUNG - GRUNDLAGEN 373 1 1.1 DIE WECHSEL STROMMASCHINE (DYNAMOMASCHINE) 374 11.1.1 DIE WECHSEL STROMMASCHINE (DYNAMOMASCHINE) IM INSELBETRIEB 374 11.1.2 ERREGUNGSARTEN, INNEN- UND AUSSENPOLMASCHINE 384 11.1.3 DIE SYNCHRONE WECHSELSTROMMASCHINE (DYNAMOMASCHINE) IM NETZPARALLELBETRIEB 387 11.2 DREHSTROMMASCHINEN, IHR AUFBAU UND DIE 3-PHASIGE SYNCHRONMASCHINE 392 11.2.1 DIE DREHSTROM-ASYNCHRONMASCHINE 397 11.3 LEISTUNGSELEKTRONISCHE KOMPONENTEN VON WINDKRAFLANLAGEN -UMRICHTER 405 12 STEUERUNG, REGELUNG UND BETRIEBSFUEHRUNG VON WINDKRATTANLAGEN 413 12.1 MOEGLICHKEITEN AUF DEN TRIEBSTRANG EINZUWIRKEN 418 12.1.1 AERODYNAMISCHE BEEINFLUSSUNGSMOEGLICHKEITEN 419 12.1.2 BEEINFLUSSUNG DES TRIEBSTRANGS DURCH DIE LAST 427 12.2 SENSOREN UND AKTOREN 427 12.3 REGLER UND REGELSYSTEME 428 12.4 REGELUNGSSTRATEGIE EINER DREHZAHLVARIABLEN ANLAGE MIT BLATTWINKEL VERSTELLUNG 430 12.5 ZUM REGLERENTWURF. 432 ANHANG I 433 ANHANG IT 440 13 ANLAGENKONZEPTE 445 13.1 NETZEINSPEISENDE ANLAGEN 446 13.1.1 DAS DAENISCHE KONZEPT: ASYNCHRONGENCRATOR ZUR DIREKTEN NETZEINSPEISUNG 447 13.1.2 DIREKT EINSPEISENDER ASYNCHRONGENERATOR MIT DYNAMISCHER SCHLUPFREGELUNG 453 XIX 13.1.3 DREHZAHLVARIABLE WINDKRAFTANLAGE MIT SYNCHRONGENERATOR UND UMRICHTER MIT GLEICHSPANNUNGS-ZWISCHENKREIS 455 13.1.4 DREHZAHLVARIABLE WINDKRAFTANLAGE MIT DOPPELT GESPEISTER ASYNCHRONMASCHINE UND UMRICHTER IM LAEUFERKREIS 457 13.1.5 LEISTUNGSKURVEN UND GESAMTWIRKUNGSGRADE DREIER ANLAGENKONZCPTE - KLEINER VERGLEICH 459 13.2 EINZEL- UND INSELANLAGEN 461 13.2.1 BATTERIELADER 461 13.2.2 WIDERSTANDSHEIZUNG MIT SYNCHRONGENERATOREN 464 13.2.3 WINDPUMPSYSTEM MIT ELEKTRISCHER LEISTUNGSUEBERTRAGUNG 466 13.2.4 KLEINES INSELNETZ 469 13.2.5 ASYNCHRONGENERATOR IM INSELNETZBETRIEB 472 13.3 VERBUNDANLAGCN 474 13.3.1 WIND-DIESELSYSTEM MIT FLIEHKRATTSPEICHER 476 13.3.2 WIND-DIESELSYSTEM MIT GEMEINSAMER GLEICHSTROMSCHIENE 476 13.3.3 WIND-DIESCL-PHOTOVOLTAIK VERBUND (KLEINSTNETZ) 477 13.3.4 SCHLUSSBEMERKUNG 477 BETRIEB VON WINDKRAFTANLAGEN IM ELEKTRISCHEN VERBUNDNETZ 480 14.1 DAS ELEKTRISCHE VERBUNDNETZ 480 14.1.1 STRUKTUR DES ELEKTRISCHEN VERBUNDNETZES 480 14.1.2 NETZBETRIEB 484 14.2 WINDKRAFTANLAGEN IM ELEKTRISCHEN VERBUNDNETZ 489 14.2.1 TECHNISCHE ANFORDERUNGEN AN DEN NETZANSCHLUSS 489 14.2.2 WECHSELWIRKUNGEN ZWISCHEN NETZ- UND WINDKRAFTANLAGEN- BETRIEB - NETZRUECKWIRKUNGEN UND NETZVERTRAEGLICHKEIT 493 14.2.3 EIGENSCHAFTEN VON ANLAGEN-KONZEPTEN IM NETZBETRIEB 495 PLANUNG, BETRIEB UND WIRTSCHAFTLICHKEIT VON WINDKRAFTANLAGEN 499 15.1 PLANUNG UND PROJEKTIERUNG VON WINDPARKS 500 15.1.1 TECHNISCHE PLANUNGSASPEKTE 500 15.1.2 GENEHMIGUNGSRECHTLICHE ASPEKTE 503 XX 15.1.3 ABSCHAETZUNG DER WIRTSCHAFTLICHKEIT 510 15.2 BAU UND BETRIEB VON WINDKRAFTANLAGEN 518 15.2.1 TECHNISCHE ASPEKTE VON AUFBAU UND BETRIEB VON WINDKRAFT- ANLAGEN 518 15.2.2 RECHTLICHE ASPEKTE 526 15.2.3 WIRTSCHAFTLICHKEIT IM BETRIEB 527 15.2.4 EINFLUSS VON NABENHOEHE UND ANLAGENKONZEPT AUF DEN ERTRAG... 530 15.2.5 ALLGEMEINE ABSCHAETZUNG DES JAHRESERTRAGS MIT IDEALISIERTER ANLAGE 536 16 OFFSHORE-WINDPARKS 539 16.1 UMWELTBEDINGUNGEN AUF SEE 541 16.2 ENTWURFSANFORDERUNGEN FUER OFFSHORE-ANLAGEN 547 16.3 WINDENERGIEANLAGE 548 16.4 TRAGSTRUKTUR UND INSTALLATION AUF SEE 550 16.5 NETZINTEGRATION UND LAYOUT VON WINDPARKS 554 16.6 BETRIEB UND WARTUNG 556 16.7 WIRTSCHAFTLICHKEIT 55 § STICH WOR TVERZEICH NIS 563
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