Windkraftanlagen: Grundlagen, Entwurf, Planung und Betrieb
Dieses Fachbuch beschreibt sehr anschaulich den aktuellen Stand der technischen Entwicklung von Windkraftanlagen und ist ein zuverlässiger Ratgeber für Studierende, Praktiker und Neugierige. Schon mit der 1. Auflage von 1991 wurde es zum Standardlehrwerk. Die Autoren der 16 Kapitel arbeiten nahezu a...
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| Weitere Verfasser: | , |
|---|---|
| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2016]
|
| Ausgabe: | 9., überarbeitete und erweiterte Auflage |
| Schlagworte: | |
| Online-Zugang: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Zusammenfassung: | Dieses Fachbuch beschreibt sehr anschaulich den aktuellen Stand der technischen Entwicklung von Windkraftanlagen und ist ein zuverlässiger Ratgeber für Studierende, Praktiker und Neugierige. Schon mit der 1. Auflage von 1991 wurde es zum Standardlehrwerk. Die Autoren der 16 Kapitel arbeiten nahezu ausnahmslos seit vielen Jahren in der Windkraftbranche. In der aktuellen Auflage wurden die Kapitel Wind, Steuerung und Regelung sowie Betrieb im elektrischen Netz komplett überarbeitet. |
| Beschreibung: | XXII, 599 Seiten Illustrationen, Diagramme, Karten |
| ISBN: | 9783658123604 |
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Titel: Windkraftanlagen
Autor: Gasch, Robert
Jahr: 2016
IX
Inhalt
0 Fragebogen von Max Frisch
1 Einleitung.1
1.1 Windenergie im Jahr 2015.1
1.2 Stromverbrauch, Umweltaspekte, Stromkosten.4
1.2.1 Energie- und Stromverbrauch.4
1.2.2 Umweltaspekte.7
1.2.3 Stromkosten.10
1.3 Energiepolitische Aspekte.12
1.4 Technologische Entwicklung.14
2 Aus der Geschichte der Windräder.18
2.1 Windräder mit vertikaler Achse.18
2.2 Windräder mit horizontaler Achse.21
2.2.1 Von der Bockwindmühle zur Westernmill.21
2.2.2 Technische Neuerungen.29
2.2.3 Beginn und Ende des Zeitalters der Windkraftnutzung im
Abendland.32
2.2.4 Die Zeit nach dem ersten Weltkrieg bis Ende der 60er Jahre.33
2.2.5 Die Renaissance der Windenergie nach 1980.35
2.3 Die Physik der Windenergienutzung.36
2.3.1 Windleistung.36
2.3.2 Widerstandsläufer.39
2.3.3 Auftriebsnutzende Windräder.43
2.3.4 Vergleich von Widerstands- und Auftriebsläufer.46
3 Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen.51
3.1 Rotor.52
3.1.1 Rotorblatt.59
3.1.2 Nabe.64
X
3.1.3 Blattwinkelverstellung.72
3.2 Triebstrang.75
3.2.1 Aufbau.75
3.2.2 Getriebe.85
3.2.3 Kupplungen, Bremsen, Rotorarretierung und Schleifringe.90
3.2.4 Generatoren.93
3.3 Hilfsaggregate und sonstige Einrichtungen.93
3.3.1 Windrichtungsnachführung.93
3.3.2 Kühlung und Heizung.96
3.3.3 Wetter- und Blitzschutz.97
3.3.4 Hebezeuge.100
3.3.5 Sensorik und Anlagenüberwachung.101
3.4 Turm und Fundament.102
3.4.1 Turm.102
3.4.2 Fundament.111
3.5 Fertigung.111
3.6 Daten von Windkraftanlagen.114
4 Der Wind.125
4.1 Entstehung des Windes.125
4.1.1 Globale Windsysteme.125
4.1.2 Geostrophischer Wind.125
4.1.3 Lokale thermische Winde.127
4.1.4 Katabatische Winde.129
4.2 Atmosphärische Grenzschicht.129
4.2.1 Bodennahe Grenzschicht.130
4.2.2 Temperaturschichtung der Atmosphäre.130
4.2.3 Höhenprofil des Windes.131
4.2.4 Einflüsse von Oberflächenrauhigkeit und Urographie.135
4.2.5 Turbulenzintensität.137
4.2.6 Häufigkeitsverteilungen der Windgeschwindigkeit - Histo-
gramme und Verteilungsfunktionen.142
XI
4.2.7 Windleistungsspektrum.148
4.3 Ermittlung von Leistung, Ertrag und Belastungsgrößen aus Messungen. 149
4.3.1 Ertragsabschätzung mit Hilfe der Histogramme von Windge-
schwindigkeit und Leistung.150
4.3.2 Ertragsermittlung aus Verteilungsfunktion und Leistungs-
kennlinie.150
4.3.3 Abschätzung des Jahresertrags mit idealisierter Anlage.151
4.3.4 Extreme Windgeschwindigkeiten.153
4.3.5 Auswirkungen der Turbulenz auf die Leistungskurven und die
Blattbeanspruchungen.156
4.3.6 Schräganströmung, vertikaler und horizontaler Windgradient .157
4.3.7 Turbulenz- und Abschattungseffekte in Windparks.160
4.4 Windmessung und Windpotentialprognosen.164
4.4.1 Schalenkreuzanemometer.164
4.4.2 Ultraschallanemometer.165
4.4.3 SODAR.166
4.4.4 LIDAR.169
4.4.5 Messmasten und Datenlogger.169
4.5 Vermessung der Leistungskennlinie.171
4.6 Methoden zur Prognose der Windverhältnisse.172
4.6.1 Inhalte von Windpotentialprognosen.172
4.6.2 Prinzipien der Windpotentialermittlung.173
4.6.3 Wind Atlas Analysis and Application Program WAsP.174
4.6.4 Meso-skalige Modelle.178
4.6.5 Langzeitdaten und Windindizes.179
4.6.6 Measure-Correlate-Predict-Methode.181
4.6.7 Zeitliche Windleistungsvorhersage: Windwettervorhersage.182
Auslegung von Windturbinen nach Betz und Schmitz.188
5.1 Was lässt sich aus dem Wind an Leistung entnehmen?.188
5.1.1 Froude-Rankinesches Theorem.193
5.2 Die Tragflügeltheorie.194
5.3 Anströmverhältnisse und Luftkräfte am rotierenden Flügel.199
XII
5.3.1 Winddreiecke.199
5.3.2 Luftkräfte am rotierenden Flügel.201
5.4 Die Betzsche Optimalauslegung.201
5.4.1 Aerodynamik.201
5.4.2 Blattbiegemomente aus Luftkräften.205
5.5 Verluste.206
5.5.1 Profilverluste.206
5.5.2 Tip-Verluste.208
5.5.3 Drallverluste.211
5.6 Die Schmitzsche Auslegung unter Berücksichtigung der Drallverluste .212
5.6.1 Drallverluste nach Schmitz.218
5.7 Zum Blattentwurf.219
5.7.1 Betz-Schmitz-Auslegung.219
5.7.2 Modifizierter Blattentwurf.223
5.8 Schlussbemerkung.224
6 Kennfeldberechnung und Teillastverhalten - Berechnung aus vorgege-
bener Blattgeometrie.230
6.1 Berechnungsverfahren (Blattelementmethode).230
6.2 Dimensionslose Darstellung der Kennlinien.233
6.3 Dimensionslose Kennlinien eines Schnellläufers.234
6.4 Dimensionslose Kennlinien eines Langsamläufers.237
6.5 Turbinenkennfelder.239
6.6 Anströmverhältnisse.241
6.6.1 Schnellläufer - Langsamläufer: Zusammenfassung.241
6.6.2 Anströmung eines Langsamläufers.244
6.6.3 Anströmung eines Schnellläufers.245
6.7 Verhalten von Schnellläufern bei Pitchverstellung.248
6.8 Erweiterung des Berechnungsverfahrens.253
6.8.1 Anlaufbereich X Xa (hohe Auftriebsbeiwerte).254
6.8.2 Leerlaufbereich X X\ (Glauerts empirische Formel).256
6.8.3 Profilwiderstand.258
XIII
6.8.4 Erweiterte Iteration.260
6.9 Grenzen der Blattelementmethode und dreidimensionale Berech-
nungsverfahren.261
6.9.1 Auftriebsverteilung und dreidimensionale Effekte.262
6.9.2 Dynamische Strömungsablösung (Dynamic Stall).265
6.9.3 Singularitätenverfahren.266
6.9.4 Numerische Strömungssimulation bei Windkraftanlagen.267
6.9.5 Beispiele für CFD bei Windkraftanlagen.270
7 Modellgesetze und Ähnlichkeitsregeln.278
7.1 Anwendungen der Ähnlichkeitstheorie.278
7.1.1 Biegespannungen der Blätter aus Luftkräften.282
7.1.2 Zugspannungen in der Flügelwurzel aus den Fliehkräften.283
7.1.3 Biegespannungen in der Flügelwurzel aufgrund des Gewichts. 285
7.1.4 Veränderung der Eigenfrequenzen des Flügels und der Fre-
quenzverhältnisse.286
7.1.5 Luftkraftdämpfungen des Rotors.288
7.2 Skalierungsregeln bei elektrischen Maschinen.290
7.3 Anwendung der Skalierungsregeln auf eine Windturbine mit direkt ge-
triebenem Generator.291
7.4 Torsionsschwingungen im skalierten Triebstrang.293
7.5 Grenzen des Skalierens - Wie groß können Windturbinen werden?.294
8 Strukturdynamik.299
8.1 Dynamische Anregungen.300
8.1.1 Massen-, Trägheits- und Gewichtskräfte.301
8.1.2 Aerodynamische und hydrodynamische Lasten.303
8.1.3 Transiente Anregungen aus Manövern und durch Störungen. 311
8.2 Freie und erzwungene Schwingungen von Windturbinen - Beispiele,
Phänomenologie.312
8.2.1 Turm-Gondel-Dynamik.312
8.2.2 Blattschwingungen.318
8.2.3 Triebstrangschwingungen.321
XIV
8.2.4 Teilmodelle - Gesamtsystem.323
8.2.5 Instabilitäten und weitere aeroelastische Probleme.326
8.3 Simulation der Gesamtdynamik.328
8.3.1 Modellbildung in Simulationsprogrammen.329
8.3.2 Einsatz von Simulationsprogrammen.332
8.4 Validierung durch Messungen.333
9 Richtlinien und Nachweisverfahren.336
9.1 Zertifizierung.336
9.1.1 Richtlinien zur Zertifizierung: LEC 61400.337
9.1.2 Richtlinie des DNV / Germanischen Lloyd für die Zertifizie-
rung von Windenergieanlagen.337
9.1.3 Richtlinie für Windenergieanlagen, Einwirkungen und Standsi-
cherheitsnachweise für Turm und Gründung (DIBt-Richtlinie) .339
9.1.4 Sonstige Normen und Richtlinien.339
9.1.5 Windklassen und Standortkategorien.339
9.1.6 Lastfalldefmitionen.340
9.2 Nachweiskonzepte.341
9.2.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit und das Konzept der partiel-
len Sicherheitsfaktoren.341
9.2.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweis.343
9.2.3 Grundlagen des Betriebsfestigkeitsnachweises.343
9.3 Beispielnachweis Stahlrohrturm - einachsiger Spannungszustand und
isotropes Material.347
9.3.1 Tragfähigkeitsnachweis, Nachweis Extremlasten.347
9.3.2 Nachweis der Betriebsfestigkeit.349
9.3.3 Gebrauchstauglichkeitsnachweis, Nachweis der Eigenfre-
quenz.349
9.4 Nachweis der Rotornabe für mehrachsigen Spannungszustand und
isotropes Material.349
9.4.1 Geometrische Auslegung.351
9.4.2 Tragfähigkeitsnachweis - Verfahren der kritischen Schnitt-
ebenen.351
XV
9.4.3 Betriebsfestigkeitsnachweis - verfahrensabhängige Wöhlerli-
nien.353
9.5 Nachweis der Rotorblätter für einachsigen Spannungszustand und or-
thotropes Material.353
9.5.1 Konzept der zulässigen Dehnung zum Nachweis der Gurte.355
9.5.2 Lokales Bauteilversagen.356
9.5.3 Materialauswahl und Fertigungsverfahren.356
10 Windpumpsysteme.359
10.1 Charakteristische Anwendungen.359
10.2 Bauarten windgetriebener Pumpen.362
10.3 Zusammenwirken von Windturbine und Pumpe.366
10.3.1 Kombinationsgrundsätze für Windturbine und Pumpe.366
10.3.2 Qualitativer Vergleich von Windpumpsystemen mit Kolben-
und Kreiselpumpe.366
10.4 Auslegung von Windpumpsystemen.374
10.4.1 Ziel der Auslegung.374
10.4.2 Wahl der Nennwindgeschwindigkeit für die Auslegung.375
10.4.3 Auslegung von Windpumpsystemen mit Kolbenpumpe.376
10.4.4 Auslegung von Windpumpsystemen mit Kreiselpumpe.380
11 Drehstromgeneratoren, Komponenten der Leistungselektronik.385
11.1 Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine).386
11.1.1 Die Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im Inselbe-
trieb.386
11.1.2 Erregungsarten, Innen-und Außenpolmaschine.395
11.1.3 Die synchrone Wechselstrommaschine (Dynamomaschine) im
Netzparallelbetrieb.399
11.2 Drehstrommaschinen.404
11.2.1 Der Aufbau von Drehstrommaschinen.404
11.2.2 Die Drehstrom-Synchronmaschine.407
11.2.3 Die Drehstrom-Asynchronmaschine.408
XVI
11.3 Leistungselektronische Komponenten von Windkraftanlagen - Um-
richter.418
11.3.1 Diode, Thyristor, Transistor, IGBTs.418
11.3.2 Gleichrichter und Gleichstromsteller.420
11.3.3 Wechselrichter.423
11.3.4 Stellmöglichkeiten im Triebstrang.426
12 Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkraftanlagen zur
Netzeinspeisung.429
12.1 Ziele von Steuerung und Regelung netzeinspeisender Anlagen.433
12.1.1 Drehzahlvariabler Bereich, Zone 1, v 12 m/s.433
12.1.2 Starkwindbereich, Zone 2, v ~ 12.25 m/s.436
12.2 Regler und Reglerstrukturen.439
12.3 Regelung der Blattwinkelverstellung.445
12.4 Azimutregelung.451
12.5 Triebstrangregelung über Generator und Umrichter - die Vektorrege-
lung.453
12.6 Praktisches Vorgehen beim Reglerentwurf.458
12.7 Anhang.459
13 Anlagenkonzepte.464
13.1 Netzeinspeisende Anlagen.464
13.1.1 Das Dänische Konzept: Asynchrongenerator zur direkten
Netzeinspeisung.466
13.1.2 Direkt einspeisender Asynchrongenerator mit dynamischer
Schlupfregelung.472
13.1.3 Drehzahlvariable Windkraftanlage mit Synchrongenerator
und Umrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreis.474
13.1.4 Drehzahlvariable Windkraftanlage mit doppelt gespeister
Asynchronmaschine und Umrichter im Läuferkreis.476
13.1.5 Leistungskurven und Gesamtwirkungsgrade von sechs Anla-
gen - kleiner Vergleich.478
13.2 Einzel- und Inselanlagen.481
13.2.1 Batterielader.482
XVII
13.2.2 Wind-Diesel-Systeme.489
13.2.3 Hybridsysteme.492
14 Betrieb von Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz.496
14.1 Das elektrische Verbundnetz.496
14.1.1 Struktur des elektrischen Verbundnetzes.496
14.1.2 Netzbetrieb.500
14.2 Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz.509
14.2.1 Technische Anforderungen an den Netzanschluss.509
14.2.2 Netzrückwirkungen.511
14.2.3 Verhalten der Erzeugungsanlage am Netz.513
14.2.4 Eigenschaften von Anlagen-Konzepten im Netzbetrieb.516
15 Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit vou Windkraftanlagen.519
15.1 Planung und Projektierung von Windparks.520
15.1.1 Technische und standortspezifische Planungsaspekte.520
15.1.2 Genehmigungsrechtliche Aspekte.523
15.1.3 Abschätzung der Wirtschaftlichkeit.532
15.2 Bau und Betrieb von Windkraftanlagen.541
15.2.1 Technische Aspekte von Aufbau und Betrieb von Windkraft-
anlagen.542
15.2.2 Rechtliche Aspekte.552
15.2.3 Wirtschaftlichkeit im Betrieb.553
16 Offshore-Windparks.558
16.1 Ressourcen und technisch-wirtschaftliches Potential.558
16.2 Umgebungs- und Entwurfsbedingungen auf See.561
16.2.1 Umweltbedingungen.561
16.2.2 Entwurfsanforderungen für Offshore-Anlagen.563
16.3 Tragstruktur und Installation.564
16.3.1 Bauformen.564
16.3.2 Hydrodynamische Belastungen.567
XVIII
16.3.3 Installation.573
16.4 Rotor-Gondel-Einheit.575
16.5 Netzanschluss.577
16.6 Betrieb und Wartung.579
Stichwortverzeichnis.584 |
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Schon mit der 1. Auflage von 1991 wurde es zum Standardlehrwerk. Die Autoren der 16 Kapitel arbeiten nahezu ausnahmslos seit vielen Jahren in der Windkraftbranche. 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