Einführung in die Windenergietechnik: mit 304 Bildern, 38 Tabellen sowie zahlreichen Beispielen und Übungen
Umfangreiche Einführung in Theorie und Praxis der Windenergie Die Windenergie ist schon heute die wichtigste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung. Mit diesem Lehrbuch bekommen interessierte Leser die Möglichkeit, den Stand der Technik kennenzulernen und einen Überblick über die vielfältig...
Gespeichert in:
| Format: | Elektronisch E-Book |
|---|---|
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
München
Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag
[2016]
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| Ausgabe: | 2., aktualisierte Auflage |
| Schriftenreihe: | Hanser eLibrary
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| Zusammenfassung: | Umfangreiche Einführung in Theorie und Praxis der Windenergie Die Windenergie ist schon heute die wichtigste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung. Mit diesem Lehrbuch bekommen interessierte Leser die Möglichkeit, den Stand der Technik kennenzulernen und einen Überblick über die vielfältigen Aspekte dieser erneuerbaren Energieform zu gewinnen. Aus dem Inhalt: - Geschichte der Windenergie - Internationale Entwicklung der Windenergie - Windressourcen, Standortbewertung und Ökologie - Aerodynamik und Blattentwurf - Rotorblätter, Triebstangenkonzepte, Turm und Gründung - Leistungselektronik-Generatorsysteme - Regelung und Betriebsführung - Netzintegration - Offshore-Windenergie Die Grundlagen werden dabei leicht verständlich vermittelt und durch Beispiele und Übungsaufgaben verdeutlicht. Die zweite Auflage wurde umfassend aktualisiert und überarbeitet. |
| Beschreibung: | 1 Online-Ressource (494 Seiten) |
| ISBN: | 9783446449824 9783446447905 |
| DOI: | 10.3139/9783446449824 |
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Titel: Einführung in die Windenergietechnik
Autor: Schaffarczyk, Alois
Jahr: 2016
Vorwort. 5
Q Die Geschichte der Windenergie (Jos Beurskens). 19
1.1 Einleitung. 19
1.2 Die ersten Windmühlen: 600-1890 . 20
1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890-1930. 27
1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930-1960. 30
1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: 1960 bis
heute. 37
Literatur. 52
Die internationale Entwicklung der Windenergie (Klaus Rave). 54
2.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte. 54
2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte. 57
2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze. 59
2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette. 63
2.5 Internationale Perspektiven. 65
2.6 Der Ausbau In ausgewählten Ländern. 68
2.7 ZurRollederEU. 70
2.8 Internationale Institutionen und Organisationen. 71
2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 - Der globale Blick in die Zukunft. 75
2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015. 76
Literatur. 81
Windressourcen, Standortbewertung, Ökologie
(Hermann van Radecke). 83
3.1 Einleitung. 83
3.2 Windressourcen. 83
3.2.1 Globales Windsystem und Bodenrauigkeit. 83
3.2.2 Höhenprofil und Rauigkeitslänge. 84
3.2.3 Rauigkeitsklassen. 87
3.2.4 Höhenlinien und Hindernisse. 89
3.2.5 Windressource mit WAsP, WindPRO, Windfarmer. 92
3.2.6 Bestimmung Windpotenzial mit Mesoskala-Modellen und Reanalyse-
daten. 94
3.2.6.1 Reanalysedaten. 94
3.2.6.2 Windmapping. 95
3.2.6.3 Windatlas. 98
3.2.6.4 Verifizierung und Zeitreihen. 99
3.2.6.5 Anwendungsbereiche . 100
3.2.7 Wind im Windpark. 101
3.2.8 Häufigkeitsverteilung Wind. 104
3.2.9 Standortbewertung und Jahresenergieertrag. 106
3.2.10 Referenzertrag und Dauer der erhöhten Vergütung. 109
3.3 Schall. 111
3.3.1 EinheitdB(A). 111
3.3.2 Schallquelle. 113
3.3.3 Ausbreitung durch die Luft. 115
3.3.4 Immissionsort und Richtwerte. 115
3.3.5 Frequenzanalyse, Tonzuschlag, Impulszuschlag. 116
3.3.6 Schallreduktionsmaßnahmen. 116
3.3.7 Abstandsregeln. 117
3.4 Schatten. 118
3.5 Turbulenz. 120
3.5.1 Natürliche Umgebungsturbulenz. 120
3.5.2 Anlagenspezifische Turbulenz. 121
3.6 Zwei Anwenderprogramme zur vollständigen Planung von Windparks. 122
3.7 Technische Richtlinien, FGW-Richtlinien und IEC. 123
3.8 Umwelteinflüsse, Bundes-Immissionsschutzgesetz und Genehmigungsver-
fahren . 124
3.8.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) . 125
3.8.2 Genehmigungsverfahren. 125
3.8.3 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP). 126
3.8.3.1 Screening. 128
3.8.3.2 Standortbezogene Vorprüfung. 128
3.8.3.3 Allgemeine Vorprüfung. 128
3.8.3.4 UVP-Untersuchungsrahmen. 129
3.8.4 Einzelaspekte im Verfahren. 129
3.8.4.1 Antrag auf immissionsschutzrechtliche Genehmigung. 129
3.8.4.2 Erteilung der Genehmigung. 130
3.8.4.3 Schwierigkeiten des Genehmigungsverfahrens. 130
3.8.4.4 Geräusche sind Immissionen im Sinne des § 3 (2) BImSchG. 130
3.8.4.5 Optische Immissionen: Lichtblitze, periodischer Schattenwurf. 131
3.8.4.6 Turbulenzen im Nachlauf von Windenergieanlagen. 131
3.8.4.7 Kennzeichnung von WEA als Luftfahrthindernisse . 132
3.8.5 Akzeptanz. 132
3.8.6 Überwachung und Klärung anlagenspezifischer Daten. 132
3.9 Übungsaufgaben. 133
3.10 Lösungen zu den Übungsaufgaben. 135
Literatur. 136
Aerodynamik und Blattentwurf (Alois Schaffarczyk).138
4.1 Zusammenfassung. 138
4.2 Einleitung. 138
4.3 Horizontalanlagen. 139
4.3.1 Allgemeines. 139
4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe. 139
4.4 Integrale Impulsverfahren. 142
4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz'sche Grenzwert. 142
4.4.2 Änderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe. 144
4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl. 144
4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach dauert. 145
4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand. 148
4.5 Impulstheorie der Blattschnitte. 148
4.5.1 Die Formulierung. 148
4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf. 150
4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter. 150
4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung. 151
4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation - CFD. 152
4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen. 153
4.6 Vertikalanlagen. 153
4.6.1 Allgemeines. 153
4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren. 155
4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren. 159
4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel. 160
4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ. 160
4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren. 161
4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor. 162
4.7.1 Einleitung. 162
4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge. 163
4.7.3 Ein Zahlenbeispiel. 163
4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren. 164
4.7.5 Auswertung. 164
4.7.6 Realisierte Fahrzeuge. 166
4.7.7 Zusammenfassung: Windautos. 168
4.8 Übungsaufgaben. 168
Literatur. 169
Rotorblätter (Lothar Dannenberg).175
5.1 Einführung. 175
5.2 Belastungen der Rotorblätter. 176
5.2.1 Belastungsarten. 176
5.2.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung. 177
5.2.2.1 Koordinatensystem, Vorzeichenregeln. 177
5.2.2.2 Schnittlasten (Schnittkräfte und Schnittmomente). 178
5.2.3 Querschnittswerte des Rotorblattes. 179
5.2.4 Spannungen und Deformationen. 184
5.2.5 Schnittlasten im Rotorblatt. 188
5.2.6 Durchbiegung und Neigung. 190
5.2.7 Ergebnisse nach der Balkentheorie. 191
5.3 Schwingungen und Beulung. 191
5.3.1 Schwingungen. 191
5.3.2 Beul-/Stabilitätsberechnungen. 195
5.4 Finite-Elemente-Berechnungen. 196
5.4.1 Spannungsberechnungen. 196
5.4.2 FEM-Beulberecnnungen. 197
5.4.3 FEM-Schwingungsberechnungen. 198
5.5 Faserverbundwerkstoffe. 199
5.5.1 Einleitung. 199
5.5.2 Materialien (Fasern, Harze, Zusatzstoffe, Sandwichmaterialien). 200
5.5.2.1 Fasern. 200
5.5.2.2 Harze. 202
5.5.2.3 Zusatzstoffe. 203
5.5.2.4 Sandwichmaterialien. 203
5.5.3 Laminate, Laminateigenschaften. 204
5.6 Fertigung von Rotorblättern. 207
5.6.1 Strukturteile des Rotorblattes. 207
5.6.2 Laminierverfahren für Rotorblätter. 209
5.6.3 Zusammenbau des Rotorblattes. 210
Literatur. 211
Der Triebstrang (Sönke Siegfriedsen, Peter Krämer).212
6.1 Einleitung. 212
6.2 Blattwinkelverstellsysteme. 212
6.3 Windrichtungsnachführung. 219
6.3.1 Allgemein. 219
6.3.2 Funktionsbeschreibung. 220
6.3.3 Komponenten. 221
6.3.4 Anordnungsvarianten von Windrichtungsnachführungen. 224
6.4 Triebstrangkomponenten. 226
6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen. 226
6.4.2 Rotorwelle und Lagerung. 227
6.4.3 Getriebe. 231
6.4.4 Bremse und Kupplung. 234
6.4.5 Generator. 237
6.5 Triebstrangkonzepte. 239
6.5.1 Direktgetrieben - Doppelte Lagerung. 240
6.5.2 Direktgetrieben - Momentenlager. 243
6.5.3 1 -2-Stufengetriebe - Doppelte Lagerung. 245
6.5.4 1 -2-Stufengetriebe - Momentenlagerung. 246
6.5.5 3-4-Stufengetriebe - Doppelte Lagerung. 248
6.5.6 3-4-Stufengetriebe - Dreipunktlagerung. 250
6.5.7 3-4-Stufengetriebe - Momentenlagerung. 251
6.6 Schäden und Schadensursachen. 252
6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten. 253
6.8 Schutzrechte in der Windenergie. 257
Literatur. 263
Turm und Gründung (Torsten Faber).264
7.1 Einleitung. 264
7.2 Richtlinien und Normen. 266
7.3 Beanspruchung von Türmen. 266
7.3.1 Ermüdungslasten. 266
7.3.2 Extremlasten. 268
7.4 Nachweise des Turms. 269
7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise. 269
7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise. 270
7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen) . 271
7.5 Konstruktionsdetails. 273
7.5.1 Öffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen. 274
7.5.2 Ringflanschverbindungen. 274
7.5.3 Schweißverbindungen. 275
7.6 Werkstoffe für Türme. 275
7.6.1 Stahl. 276
7.6.2 Beton. 277
7.6.3 Holz. 277
7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff. 277
7.7 Ausführungsformen. 278
7.7.1 Rohrtürme. 278
7.7.2 Gittermasten. 278
7.7.3 Abgespannte Türme. 279
7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich. 279
7.8 Gründungen von Onshore-WEA. 280
7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen. 280
7.8.2 Übergang zwischen Turm und Fundament. 282
7.8.3 Nachweise für die Gründung. 282
Literatur. 287
Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen
(Friedrich Fuchs).288
8.1 Einführung. 288
8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem. 290
8.3 Transformator. 292
8.3.1 Prinzip, Gleichungen. 292
8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm . 294
8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild. 295
8.3.4 Drehstromtransformatoren. 296
8.4 Generatoren für Windenergieanlagen. 298
8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer. 298
8.4.1.1 Aufbau. 299
8.4.1.2 Grundlegende Funktion. 299
8.4.1.3 Spannungsgleichungen. 300
8.4.1.4 Ersatzschaltbild. 301
8.4.1.5 Zeigerdiagramm. 301
8.4.1.6 Heylandkreis. 302
8.4.1.7 Leistung. 304
8.4.1.8 Moment. 305
8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschluss-
läufer . 306
8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer. 309
8.4.2.1 Aufbau. 310
8.4.2.2 Grundlegende Funktion. 310
8.4.2.3 Spannungsgleichungen. 311
8.4.2.4 Ersatzschaltbild. 311
8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve. 312
8.4.2.6 Drehzahlregelung. 315
8.5 Synchronmaschinen. 317
8.5.1 Generelle Funktion. 317
8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild. 318
8.5.3 Leistung und Moment. 319
8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen. 321
8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen. 321
8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine. 322
8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen. 323
8.6.1 Generelle Funktion. 324
8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung. 324
8.6.2.1 Schaltung. 324
8.6.2.2 Pulsweitenmodulation. 325
8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung. 330
8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen. 332
8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurz-
schlussläufer . 333
8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine. 338
8.7.3 Regelung der Synchronmaschine. 338
8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters. 339
8.7.5 Auslegung der Regelung. 341
8.8 Einhaltung der Netzanschlussbedingungen. 342
8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten. 344
8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Übersicht. 345
8.11 Übungsaufgaben. 346
Literatur. 351
Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen
(Reiner Johannes Schutt).353
9.1 Grundlegende Zusammenhänge. 353
9.1.1 Einordnung der WES-Automation. 354
9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA. 357
9.1.3 Energiewandlung des Rotors. 357
9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs. 360
9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems. 361
9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA. 364
9.2 Regelsysteme der WEA. 365
9.2.1 Gierwinkelregelung. 366
9.2.2 Blattwinkelregelung. 367
9.2.3 Wirkleistungsregelung. 368
9.2.4 Blindleistungsregelung. 370
9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereiche
der WEA. 371
9.3 Betriebsführungssysteme für WEA. 373
9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA. 373
9.3.2 Sicherheitssysteme. 376
9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme. 377
9.5 Fernbedienung und -Überwachung. 379
9.6 Kommunikationssysteme für WES. 380
Literatur. 382
jJNetzintegration (Sven Wanser, Nica Kahler).384
10.1 Energieversorgungsnetze im Überblick. 384
10.1.1 Allgemeines. 384
10.1.2 Spannungsebenen der elektrischen Versorgungsnetze. 385
10.1.3 Netzstrukturen. 385
10.2 Netzregelung. 388
10.2.1 Regelleistung. 388
10.2.2 Ausgleichsenergie und Bilanzkreise. 388
10.2.3 Grundlast, Mittellast und Spitzenlast. 389
10.2.4 Frequenzhaltung. 391
10.2.5 Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve. 392
10.2.6 Spannungshaltung. 393
10.2.7 Systemdienstleistungen durch Erzeugungsanlagen. 394
10.3 Grundbegriffe zur Netzintegration von Erzeugungsanlagen. 395
10.3.1 Elektrische Grundbegriffe. 396
10.3.2 Netzqualität. 400
10.4 NetzanschlussfürWEA. 403
10.4.1 Bemessung der Netzbetriebsmittel. 404
10.4.2 Überprüfung der Spannungsänderung/Spannungsband. 407
10.4.3 Überprüfung der Netzrückwirkung. 410
10.4.4 Überprüfung der Kurzschlussfestigkeit. 411
10.5 Netzanbindungen von WEA. 412
10.5.1 Schaltanlagen. 413
10.5.2 Schutzeinrichtungen. 414
10.5.3 Einbindung in das Netzleitsystem. 416
10.6 Weitere Entwicklungen in der Netzintegration und Ausblick. 416
10.6.1 Netzausbau. 416
10.6.2 Lastverschiebung. 419
10.6.3 Energiespeicherung. 419
Literatur. 420
Offshore-Windenergie
(Lothar Dannenberg, Christian Keindorf).422
11.1 Einführung. 422
11.1.1 Historie und Entwicklungstrends. 422
11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA. 423
11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks. 424
11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit. 425
11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks. 426
11.2.1 Turbinen für OWEA. 426
11.2.2 Tragstrukturen für OWEA. 427
11.2.2.1 Turm. 427
11.2.2.2 Transition Piece. 428
11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA. 428
11.2.3.1 Monopile-Gründung. 429
11.2.3.2 Schwerkraftgründungen. 430
11.2.3.3 Jacket-Gründung. 430
11.2.3.4 Tripod-Gründung. 431
11.2.3.5 Tripile-Gründung. 431
11.2.3.6 Suction-Buckets. 432
11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA. 433
11.2.4.1 SparBuoy. 433
11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP). 434
11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform). 435
11.2.5 Offshore-Stationen. 435
11.2.6 Seekabel. 435
11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten. 436
11.3 Einwirkungen auf OWEA. 437
11.3.1 Ständige Einwirkungen. 438
11.3.2 Aerodynamische Lasten. 439
11.3.3 Hydrostatische Lasten. 439
11.3.4 Hydrodynamische Lasten. 440
11.3.4.1 Strömungen. 440
11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen. 440
11.3.4.3 Wellen. 442
11.3.4.4 Lineare Wellentheorien. 444
11.3.4.5 Nichtiineare Wellentheorien. 449
11.3.4.6 Belastungen durch Wellen. 451
11.3.4.7 Regelmäßiger Seegang. 455
11.3.4.8 Unregelmäßiger oder natürlicher Seegang. 455
11.3.4.9 Seegangsspektren. 456
11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur. 461
11.3.6 Einwirkungen infolge Eis. 461
11.3.7 Funktionale Einwirkungen. 462
11.3.8 Außergewöhnliche Einwirkungen. 463
11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie. 463
11.4.1 Entwurfsgrundlagen. 463
11.4.2 Standortbedingungen. 464
11.4.2.1 Meterologische und ozeanographische Bedingungen. 464
11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften.464
11.4.2.3 Kolkbildung. 468
11.4.2.4 Eisbildung. 470
11.4.2.5 Mariner Bewuchs. 470
11.4.2.6 Korrosion. 471
11.4.3 Sicherheitskonzept. 473
11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte. 473
11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen. 473
11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände. 474
11.4.3.4 Bemessungskonzept. 475
11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen. 475
11.4.5 Berechnungsmethoden. 476
11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände. 477
11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit. 478
11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung. 478
11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit. 479
11.4.6.4 Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung. 480
11.4.6.5 Weitere Nachweise. 480
Literatur. 480
Index.482 |
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Mit diesem Lehrbuch bekommen interessierte Leser die Möglichkeit, den Stand der Technik kennenzulernen und einen Überblick über die vielfältigen Aspekte dieser erneuerbaren Energieform zu gewinnen. Aus dem Inhalt: - Geschichte der Windenergie - Internationale Entwicklung der Windenergie - Windressourcen, Standortbewertung und Ökologie - Aerodynamik und Blattentwurf - Rotorblätter, Triebstangenkonzepte, Turm und Gründung - Leistungselektronik-Generatorsysteme - Regelung und Betriebsführung - Netzintegration - Offshore-Windenergie Die Grundlagen werden dabei leicht verständlich vermittelt und durch Beispiele und Übungsaufgaben verdeutlicht. 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