Einführung in die Windenergietechnik

 
 
Hanser (Verlag)
  • 2. Auflage
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  • erschienen am 8. August 2016
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  • 494 Seiten
 
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978-3-446-44982-4 (ISBN)
 
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.
2. Auflage
  • Deutsch
  • München
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  • Deutschland
  • 304
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  • 38 s/w Tabellen, 304 s/w Abbildungen
  • |
  • 304 schwarz-weiße Abbildungen, 38 schwarz-weiße Tabellen
  • 43,61 MB
978-3-446-44982-4 (9783446449824)
http://dx.doi.org/10.3139/9783446449824
weitere Ausgaben werden ermittelt
Der Herausgeber Prof. Dr. rer. nat. Alois Schaffarczyk lehrt an der FH Kiel. Die Autoren lehren, forschen und arbeiten im Bereich Windenergietechnik an schleswig-holsteinischen Hochschulen und in international tätigen Firmen und Institutionen.
1 - Vorwort [Seite 6]
2 - Inhalt [Seite 9]
3 - 1 Die Geschichte der Windenergie (Jos Beurskens) [Seite 20]
3.1 - 1.1 Einleitung [Seite 20]
3.2 - 1.2 Die ersten Windmühlen: 600â?"1890 [Seite 21]
3.3 - 1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890â?"1930 [Seite 28]
3.4 - 1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930â?"1960 [Seite 31]
3.5 - 1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: 1960 bis heute [Seite 38]
3.6 - Literatur [Seite 53]
4 - 2 Die internationale Entwicklung der Windenergie (Klaus Rave) [Seite 55]
4.1 - 2.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte [Seite 55]
4.2 - 2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte [Seite 58]
4.3 - 2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze [Seite 60]
4.4 - 2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette [Seite 64]
4.5 - 2.5 Internationale Perspektiven [Seite 66]
4.6 - 2.6 Der Ausbau in ausgewählten Ländern [Seite 69]
4.7 - 2.7 Zur Rolle der EU [Seite 71]
4.8 - 2.8 Internationale Institutionen und Organisationen [Seite 72]
4.9 - 2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 â?" Der globale Blick in die Zukunft [Seite 76]
4.10 - 2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015 [Seite 77]
4.11 - Literatur [Seite 82]
5 - 3 Windressourcen, Standortbewertung, Ã-kologie (Hermann van Radecke) [Seite 84]
5.1 - 3.1 Einleitung [Seite 84]
5.2 - 3.2 Windressourcen [Seite 84]
5.2.1 - 3.2.1 Globales Windsystem und Bodenrauigkeit [Seite 84]
5.2.2 - 3.2.2 Höhenprofil und Rauigkeitslänge [Seite 85]
5.2.3 - 3.2.3 Rauigkeitsklassen [Seite 88]
5.2.4 - 3.2.4 Höhenlinien und Hindernisse [Seite 90]
5.2.5 - 3.2.5 Windressource mit WAsP, WindPRO, Windfarmer [Seite 93]
5.2.6 - 3.2.6 Bestimmung Windpotenzial mit Mesoskala-Modellen und Reanalysedaten [Seite 95]
5.2.6.1 - 3.2.6.1 Reanalysedaten [Seite 95]
5.2.6.2 - 3.2.6.2 Windmapping [Seite 96]
5.2.6.3 - 3.2.6.3 Windatlas [Seite 99]
5.2.6.4 - 3.2.6.4 Verifizierung und Zeitreihen [Seite 100]
5.2.6.5 - 3.2.6.5 Anwendungsbereiche [Seite 101]
5.2.7 - 3.2.7 Wind im Windpark [Seite 102]
5.2.8 - 3.2.8 Häufigkeitsverteilung Wind [Seite 105]
5.2.9 - 3.2.9 Standortbewertung und Jahresenergieertrag [Seite 107]
5.2.10 - 3.2.10 Referenzertrag und Dauer der erhöhten Vergütung [Seite 110]
5.3 - 3.3 Schall [Seite 112]
5.3.1 - 3.3.1 Einheit dB(A) [Seite 112]
5.3.2 - 3.3.2 Schallquelle [Seite 114]
5.3.3 - 3.3.3 Ausbreitung durch die Luft [Seite 116]
5.3.4 - 3.3.4 Immissionsort und Richtwerte [Seite 116]
5.3.5 - 3.3.5 Frequenzanalyse, Tonzuschlag, Impulszuschlag [Seite 117]
5.3.6 - 3.3.6 SchallreduktionsmaÃYnahmen [Seite 117]
5.3.7 - 3.3.7 Abstandsregeln [Seite 118]
5.4 - 3.4 Schatten [Seite 119]
5.5 - 3.5 Turbulenz [Seite 121]
5.5.1 - 3.5.1 Natürliche Umgebungsturbulenz [Seite 121]
5.5.2 - 3.5.2 Anlagenspezifische Turbulenz [Seite 122]
5.6 - 3.6 Zwei Anwenderprogramme zur vollständigen Planung von Windparks [Seite 123]
5.7 - 3.7 Technische Richtlinien, FGW-Richtlinien und IEC [Seite 124]
5.8 - 3.8 Umwelteinflüsse, Bundes-Immissionsschutzgesetz und Genehmigungsverfahren [Seite 125]
5.8.1 - 3.8.1 Bundes-Immissionsschutzgesetz (BImSchG) [Seite 126]
5.8.2 - 3.8.2 Genehmigungsverfahren [Seite 126]
5.8.3 - 3.8.3 Umweltverträglichkeitsprüfung (UVP) [Seite 127]
5.8.3.1 - 3.8.3.1 Screening [Seite 129]
5.8.3.2 - 3.8.3.2 Standortbezogene Vorprüfung [Seite 129]
5.8.3.3 - 3.8.3.3 Allgemeine Vorprüfung [Seite 129]
5.8.3.4 - 3.8.3.4 UVP-Untersuchungsrahmen [Seite 130]
5.8.4 - 3.8.4 Einzelaspekte im Verfahren [Seite 130]
5.8.4.1 - 3.8.4.1 Antrag auf immissionsschutzrechtliche Genehmigung [Seite 130]
5.8.4.2 - 3.8.4.2 Erteilung der Genehmigung [Seite 131]
5.8.4.3 - 3.8.4.3 Schwierigkeiten des Genehmigungsverfahrens [Seite 131]
5.8.4.4 - 3.8.4.4 Geräusche sind Immissionen im Sinne des § 3 (2) BImSchG [Seite 131]
5.8.4.5 - 3.8.4.5 Optische Immissionen: Lichtblitze, periodischer Schattenwurf [Seite 132]
5.8.4.6 - 3.8.4.6 Turbulenzen im Nachlauf von Windenergieanlagen [Seite 132]
5.8.4.7 - 3.8.4.7 Kennzeichnung von WEA als Luftfahrthindernisse [Seite 133]
5.8.5 - 3.8.5 Akzeptanz [Seite 133]
5.8.6 - 3.8.6 Ãoberwachung und Klärung anlagenspezifischer Daten [Seite 133]
5.9 - 3.9 Ãobungsaufgaben [Seite 134]
5.10 - 3.10 Lösungen zu den Ãobungsaufgaben [Seite 136]
5.11 - Literatur [Seite 137]
6 - 4 Aerodynamik und Blattentwurf (Alois Schaffarczyk) [Seite 139]
6.1 - 4.1 Zusammenfassung [Seite 139]
6.2 - 4.2 Einleitung [Seite 139]
6.3 - 4.3 Horizontalanlagen [Seite 140]
6.3.1 - 4.3.1 Allgemeines [Seite 140]
6.3.2 - 4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe [Seite 140]
6.4 - 4.4 Integrale Impulsverfahren [Seite 143]
6.4.1 - 4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz'sche Grenzwert [Seite 143]
6.4.2 - 4.4.2 Ã"nderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe [Seite 145]
6.4.3 - 4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl [Seite 145]
6.4.4 - 4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach Glauert [Seite 146]
6.4.5 - 4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand [Seite 149]
6.5 - 4.5 Impulstheorie der Blattschnitte [Seite 149]
6.5.1 - 4.5.1 Die Formulierung [Seite 149]
6.5.2 - 4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf [Seite 151]
6.5.3 - 4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter [Seite 151]
6.5.4 - 4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung [Seite 152]
6.5.5 - 4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation â?" CFD [Seite 153]
6.5.6 - 4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen [Seite 154]
6.6 - 4.6 Vertikalanlagen [Seite 154]
6.6.1 - 4.6.1 Allgemeines [Seite 154]
6.6.2 - 4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren [Seite 156]
6.6.3 - 4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren [Seite 160]
6.6.4 - 4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel [Seite 161]
6.6.5 - 4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ [Seite 161]
6.6.6 - 4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren [Seite 162]
6.7 - 4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor [Seite 163]
6.7.1 - 4.7.1 Einleitung [Seite 163]
6.7.2 - 4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge [Seite 164]
6.7.3 - 4.7.3 Ein Zahlenbeispiel [Seite 164]
6.7.4 - 4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren [Seite 165]
6.7.5 - 4.7.5 Auswertung [Seite 165]
6.7.6 - 4.7.6 Realisierte Fahrzeuge [Seite 167]
6.7.7 - 4.7.7 Zusammenfassung: Windautos [Seite 169]
6.8 - 4.8 Ãobungsaufgaben [Seite 169]
6.9 - Literatur [Seite 170]
7 - 5 Rotorblätter (Lothar Dannenberg) [Seite 176]
7.1 - 5.1 Einführung [Seite 176]
7.2 - 5.2 Belastungen der Rotorblätter [Seite 177]
7.2.1 - 5.2.1 Belastungsarten [Seite 177]
7.2.2 - 5.2.2 Grundlagen der Festigkeitsberechnung [Seite 178]
7.2.2.1 - 5.2.2.1 Koordinatensystem, Vorzeichenregeln [Seite 178]
7.2.2.2 - 5.2.2.2 Schnittlasten (Schnittkräfte und Schnittmomente) [Seite 179]
7.2.3 - 5.2.3 Querschnittswerte des Rotorblattes [Seite 180]
7.2.4 - 5.2.4 Spannungen und Deformationen [Seite 185]
7.2.5 - 5.2.5 Schnittlasten im Rotorblatt [Seite 189]
7.2.6 - 5.2.6 Durchbiegung und Neigung [Seite 191]
7.2.7 - 5.2.7 Ergebnisse nach der Balkentheorie [Seite 192]
7.3 - 5.3 Schwingungen und Beulung [Seite 192]
7.3.1 - 5.3.1 Schwingungen [Seite 192]
7.3.2 - 5.3.2 Beul-/Stabilitätsberechnungen [Seite 196]
7.4 - 5.4 Finite-Elemente-Berechnungen [Seite 197]
7.4.1 - 5.4.1 Spannungsberechnungen [Seite 197]
7.4.2 - 5.4.2 FEM-Beulberechnungen [Seite 198]
7.4.3 - 5.4.3 FEM-Schwingungsberechnungen [Seite 199]
7.5 - 5.5 Faserverbundwerkstoffe [Seite 200]
7.5.1 - 5.5.1 Einleitung [Seite 200]
7.5.2 - 5.5.2 Materialien (Fasern, Harze, Zusatzstoffe, Sandwichmaterialien) [Seite 201]
7.5.2.1 - 5.5.2.1 Fasern [Seite 201]
7.5.2.2 - 5.5.2.2 Harze [Seite 203]
7.5.2.3 - 5.5.2.3 Zusatzstoffe [Seite 204]
7.5.2.4 - 5.5.2.4 Sandwichmaterialien [Seite 204]
7.5.3 - 5.5.3 Laminate, Laminateigenschaften [Seite 205]
7.6 - 5.6 Fertigung von Rotorblättern [Seite 208]
7.6.1 - 5.6.1 Strukturteile des Rotorblattes [Seite 208]
7.6.2 - 5.6.2 Laminierverfahren für Rotorblätter [Seite 210]
7.6.3 - 5.6.3 Zusammenbau des Rotorblattes [Seite 211]
7.7 - Literatur [Seite 212]
8 - 6 Der Triebstrang (Sönke Siegfriedsen, Peter Krämer) [Seite 213]
8.1 - 6.1 Einleitung [Seite 213]
8.2 - 6.2 Blattwinkelverstellsysteme [Seite 213]
8.3 - 6.3 Windrichtungsnachführung [Seite 220]
8.3.1 - 6.3.1 Allgemein [Seite 220]
8.3.2 - 6.3.2 Funktionsbeschreibung [Seite 221]
8.3.3 - 6.3.3 Komponenten [Seite 222]
8.3.4 - 6.3.4 Anordnungsvarianten von Windrichtungsnachführungen [Seite 225]
8.4 - 6.4 Triebstrangkomponenten [Seite 227]
8.4.1 - 6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen [Seite 227]
8.4.2 - 6.4.2 Rotorwelle und Lagerung [Seite 228]
8.4.3 - 6.4.3 Getriebe [Seite 232]
8.4.4 - 6.4.4 Bremse und Kupplung [Seite 235]
8.4.5 - 6.4.5 Generator [Seite 238]
8.5 - 6.5 Triebstrangkonzepte [Seite 240]
8.5.1 - 6.5.1 Direktgetrieben â?" Doppelte Lagerung [Seite 241]
8.5.2 - 6.5.2 Direktgetrieben â?" Momentenlager [Seite 244]
8.5.3 - 6.5.3 1-2-Stufengetriebe â?" Doppelte Lagerung [Seite 246]
8.5.4 - 6.5.4 1-2-Stufengetriebe â?" Momentenlagerung [Seite 247]
8.5.5 - 6.5.5 3-4-Stufengetriebe â?" Doppelte Lagerung [Seite 249]
8.5.6 - 6.5.6 3-4-Stufengetriebe â?" Dreipunktlagerung [Seite 251]
8.5.7 - 6.5.7 3-4-Stufengetriebe â?" Momentenlagerung [Seite 252]
8.6 - 6.6 Schäden und Schadensursachen [Seite 253]
8.7 - 6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten [Seite 254]
8.8 - 6.8 Schutzrechte in der Windenergie [Seite 258]
8.9 - Literatur [Seite 264]
9 - 7 Turm und Gründung (Torsten Faber) [Seite 265]
9.1 - 7.1 Einleitung [Seite 265]
9.2 - 7.2 Richtlinien und Normen [Seite 267]
9.3 - 7.3 Beanspruchung von Türmen [Seite 267]
9.3.1 - 7.3.1 Ermüdungslasten [Seite 267]
9.3.2 - 7.3.2 Extremlasten [Seite 269]
9.4 - 7.4 Nachweise des Turms [Seite 270]
9.4.1 - 7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise [Seite 270]
9.4.2 - 7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise [Seite 271]
9.4.3 - 7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen) [Seite 272]
9.5 - 7.5 Konstruktionsdetails [Seite 274]
9.5.1 - 7.5.1 Ã-ffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen [Seite 275]
9.5.2 - 7.5.2 Ringflanschverbindungen [Seite 275]
9.5.3 - 7.5.3 SchweiÃYverbindungen [Seite 276]
9.6 - 7.6 Werkstoffe für Türme [Seite 276]
9.6.1 - 7.6.1 Stahl [Seite 277]
9.6.2 - 7.6.2 Beton [Seite 278]
9.6.3 - 7.6.3 Holz [Seite 278]
9.6.4 - 7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff [Seite 278]
9.7 - 7.7 Ausführungsformen [Seite 279]
9.7.1 - 7.7.1 Rohrtürme [Seite 279]
9.7.2 - 7.7.2 Gittermasten [Seite 279]
9.7.3 - 7.7.3 Abgespannte Türme [Seite 280]
9.7.4 - 7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich [Seite 280]
9.8 - 7.8 Gründungen von Onshore-WEA [Seite 281]
9.8.1 - 7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen [Seite 281]
9.8.2 - 7.8.2 Ãobergang zwischen Turm und Fundament [Seite 283]
9.8.3 - 7.8.3 Nachweise für die Gründung [Seite 283]
9.9 - Literatur [Seite 288]
10 - 8 Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen (Friedrich Fuchs) [Seite 289]
10.1 - 8.1 Einführung [Seite 289]
10.2 - 8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem [Seite 291]
10.3 - 8.3 Transformator [Seite 293]
10.3.1 - 8.3.1 Prinzip, Gleichungen [Seite 293]
10.3.2 - 8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm [Seite 295]
10.3.3 - 8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild [Seite 296]
10.3.4 - 8.3.4 Drehstromtransformatoren [Seite 297]
10.4 - 8.4 Generatoren für Windenergieanlagen [Seite 299]
10.4.1 - 8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer [Seite 299]
10.4.1.1 - 8.4.1.1 Aufbau [Seite 300]
10.4.1.2 - 8.4.1.2 Grundlegende Funktion [Seite 300]
10.4.1.3 - 8.4.1.3 Spannungsgleichungen [Seite 301]
10.4.1.4 - 8.4.1.4 Ersatzschaltbild [Seite 302]
10.4.1.5 - 8.4.1.5 Zeigerdiagramm [Seite 302]
10.4.1.6 - 8.4.1.6 Heylandkreis [Seite 303]
10.4.1.7 - 8.4.1.7 Leistung [Seite 305]
10.4.1.8 - 8.4.1.8 Moment [Seite 306]
10.4.1.9 - 8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer [Seite 307]
10.4.2 - 8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer [Seite 310]
10.4.2.1 - 8.4.2.1 Aufbau [Seite 311]
10.4.2.2 - 8.4.2.2 Grundlegende Funktion [Seite 311]
10.4.2.3 - 8.4.2.3 Spannungsgleichungen [Seite 312]
10.4.2.4 - 8.4.2.4 Ersatzschaltbild [Seite 312]
10.4.2.5 - 8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve [Seite 313]
10.4.2.6 - 8.4.2.6 Drehzahlregelung [Seite 316]
10.5 - 8.5 Synchronmaschinen [Seite 318]
10.5.1 - 8.5.1 Generelle Funktion [Seite 318]
10.5.2 - 8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild [Seite 319]
10.5.3 - 8.5.3 Leistung und Moment [Seite 320]
10.5.4 - 8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen [Seite 322]
10.5.5 - 8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen [Seite 322]
10.5.6 - 8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine [Seite 323]
10.6 - 8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen [Seite 324]
10.6.1 - 8.6.1 Generelle Funktion [Seite 325]
10.6.2 - 8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung [Seite 325]
10.6.2.1 - 8.6.2.1 Schaltung [Seite 325]
10.6.2.2 - 8.6.2.2 Pulsweitenmodulation [Seite 326]
10.6.3 - 8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung [Seite 331]
10.7 - 8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen [Seite 333]
10.7.1 - 8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurzschlussläufer [Seite 334]
10.7.2 - 8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine [Seite 339]
10.7.3 - 8.7.3 Regelung der Synchronmaschine [Seite 339]
10.7.4 - 8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters [Seite 340]
10.7.5 - 8.7.5 Auslegung der Regelung [Seite 342]
10.8 - 8.8 Einhaltung der Netzanschlussbedingungen [Seite 343]
10.9 - 8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten [Seite 345]
10.10 - 8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Ãobersicht [Seite 346]
10.11 - 8.11 Ãobungsaufgaben [Seite 347]
10.12 - Literatur [Seite 352]
11 - 9 Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen (Reiner Johannes Schütt) [Seite 354]
11.1 - 9.1 Grundlegende Zusammenhänge [Seite 354]
11.1.1 - 9.1.1 Einordnung der WES-Automation [Seite 355]
11.1.2 - 9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA [Seite 358]
11.1.3 - 9.1.3 Energiewandlung des Rotors [Seite 358]
11.1.4 - 9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs [Seite 361]
11.1.5 - 9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems [Seite 362]
11.1.6 - 9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA [Seite 365]
11.2 - 9.2 Regelsysteme der WEA [Seite 366]
11.2.1 - 9.2.1 Gierwinkelregelung [Seite 367]
11.2.2 - 9.2.2 Blattwinkelregelung [Seite 368]
11.2.3 - 9.2.3 Wirkleistungsregelung [Seite 369]
11.2.4 - 9.2.4 Blindleistungsregelung [Seite 371]
11.2.5 - 9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereiche der WEA [Seite 372]
11.3 - 9.3 Betriebsführungssysteme für WEA [Seite 374]
11.3.1 - 9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA [Seite 374]
11.3.2 - 9.3.2 Sicherheitssysteme [Seite 377]
11.4 - 9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme [Seite 378]
11.5 - 9.5 Fernbedienung und -überwachung [Seite 380]
11.6 - 9.6 Kommunikationssysteme für WES [Seite 381]
11.7 - Literatur [Seite 383]
12 - 10 Netzintegration (Sven Wanser, Nica Kähler) [Seite 385]
12.1 - 10.1 Energieversorgungsnetze im Ãoberblick [Seite 385]
12.1.1 - 10.1.1 Allgemeines [Seite 385]
12.1.2 - 10.1.2 Spannungsebenen der elektrischen Versorgungsnetze [Seite 386]
12.1.3 - 10.1.3 Netzstrukturen [Seite 386]
12.2 - 10.2 Netzregelung [Seite 389]
12.2.1 - 10.2.1 Regelleistung [Seite 389]
12.2.2 - 10.2.2 Ausgleichsenergie und Bilanzkreise [Seite 389]
12.2.3 - 10.2.3 Grundlast, Mittellast und Spitzenlast [Seite 390]
12.2.4 - 10.2.4 Frequenzhaltung [Seite 392]
12.2.5 - 10.2.5 Primärregelung, Sekundärregelung und Minutenreserve [Seite 393]
12.2.6 - 10.2.6 Spannungshaltung [Seite 394]
12.2.7 - 10.2.7 Systemdienstleistungen durch Erzeugungsanlagen [Seite 395]
12.3 - 10.3 Grundbegriffe zur Netzintegration von Erzeugungsanlagen [Seite 396]
12.3.1 - 10.3.1 Elektrische Grundbegriffe [Seite 397]
12.3.2 - 10.3.2 Netzqualität [Seite 401]
12.4 - 10.4 Netzanschluss für WEA [Seite 404]
12.4.1 - 10.4.1 Bemessung der Netzbetriebsmittel [Seite 405]
12.4.2 - 10.4.2 Ãoberprüfung der Spannungsänderung/Spannungsband [Seite 408]
12.4.3 - 10.4.3 Ãoberprüfung der Netzrückwirkung [Seite 411]
12.4.4 - 10.4.4 Ãoberprüfung der Kurzschlussfestigkeit [Seite 412]
12.5 - 10.5 Netzanbindungen von WEA [Seite 413]
12.5.1 - 10.5.1 Schaltanlagen [Seite 414]
12.5.2 - 10.5.2 Schutzeinrichtungen [Seite 415]
12.5.3 - 10.5.3 Einbindung in das Netzleitsystem [Seite 417]
12.6 - 10.6 Weitere Entwicklungen in der Netzintegration und Ausblick [Seite 417]
12.6.1 - 10.6.1 Netzausbau [Seite 417]
12.6.2 - 10.6.2 Lastverschiebung [Seite 420]
12.6.3 - 10.6.3 Energiespeicherung [Seite 420]
12.7 - Literatur [Seite 421]
13 - 11 Offshore-Windenergie (Lothar Dannenberg, Christian Keindorf) [Seite 423]
13.1 - 11.1 Einführung [Seite 423]
13.1.1 - 11.1.1 Historie und Entwicklungstrends [Seite 423]
13.1.2 - 11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA [Seite 424]
13.1.3 - 11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks [Seite 425]
13.1.4 - 11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit [Seite 426]
13.2 - 11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks [Seite 427]
13.2.1 - 11.2.1 Turbinen für OWEA [Seite 427]
13.2.2 - 11.2.2 Tragstrukturen für OWEA [Seite 428]
13.2.2.1 - 11.2.2.1 Turm [Seite 428]
13.2.2.2 - 11.2.2.2 Transition Piece [Seite 429]
13.2.3 - 11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA [Seite 429]
13.2.3.1 - 11.2.3.1 Monopile-Gründung [Seite 430]
13.2.3.2 - 11.2.3.2 Schwerkraftgründungen [Seite 431]
13.2.3.3 - 11.2.3.3 Jacket-Gründung [Seite 431]
13.2.3.4 - 11.2.3.4 Tripod-Gründung [Seite 432]
13.2.3.5 - 11.2.3.5 Tripile-Gründung [Seite 432]
13.2.3.6 - 11.2.3.6 Suction-Buckets [Seite 433]
13.2.4 - 11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA [Seite 434]
13.2.4.1 - 11.2.4.1 Spar Buoy [Seite 434]
13.2.4.2 - 11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP) [Seite 435]
13.2.4.3 - 11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform) [Seite 436]
13.2.5 - 11.2.5 Offshore-Stationen [Seite 436]
13.2.6 - 11.2.6 Seekabel [Seite 436]
13.2.7 - 11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten [Seite 437]
13.3 - 11.3 Einwirkungen auf OWEA [Seite 438]
13.3.1 - 11.3.1 Ständige Einwirkungen [Seite 439]
13.3.2 - 11.3.2 Aerodynamische Lasten [Seite 440]
13.3.3 - 11.3.3 Hydrostatische Lasten [Seite 440]
13.3.4 - 11.3.4 Hydrodynamische Lasten [Seite 441]
13.3.4.1 - 11.3.4.1 Strömungen [Seite 441]
13.3.4.2 - 11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen [Seite 441]
13.3.4.3 - 11.3.4.3 Wellen [Seite 443]
13.3.4.4 - 11.3.4.4 Lineare Wellentheorien [Seite 445]
13.3.4.5 - 11.3.4.5 Nichtlineare Wellentheorien [Seite 450]
13.3.4.6 - 11.3.4.6 Belastungen durch Wellen [Seite 452]
13.3.4.7 - 11.3.4.7 RegelmäÃYiger Seegang [Seite 456]
13.3.4.8 - 11.3.4.8 UnregelmäÃYiger oder natürlicher Seegang [Seite 456]
13.3.4.9 - 11.3.4.9 Seegangsspektren [Seite 457]
13.3.5 - 11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur [Seite 462]
13.3.6 - 11.3.6 Einwirkungen infolge Eis [Seite 462]
13.3.7 - 11.3.7 Funktionale Einwirkungen [Seite 463]
13.3.8 - 11.3.8 AuÃYergewöhnliche Einwirkungen [Seite 464]
13.4 - 11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie [Seite 464]
13.4.1 - 11.4.1 Entwurfsgrundlagen [Seite 464]
13.4.2 - 11.4.2 Standortbedingungen [Seite 465]
13.4.2.1 - 11.4.2.1 Meterologische und ozeanographische Bedingungen [Seite 465]
13.4.2.2 - 11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften [Seite 465]
13.4.2.3 - 11.4.2.3 Kolkbildung [Seite 469]
13.4.2.4 - 11.4.2.4 Eisbildung [Seite 471]
13.4.2.5 - 11.4.2.5 Mariner Bewuchs [Seite 471]
13.4.2.6 - 11.4.2.6 Korrosion [Seite 472]
13.4.3 - 11.4.3 Sicherheitskonzept [Seite 474]
13.4.3.1 - 11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte [Seite 474]
13.4.3.2 - 11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen [Seite 474]
13.4.3.3 - 11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände [Seite 475]
13.4.3.4 - 11.4.3.4 Bemessungskonzept [Seite 476]
13.4.4 - 11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen [Seite 476]
13.4.5 - 11.4.5 Berechnungsmethoden [Seite 477]
13.4.6 - 11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände [Seite 478]
13.4.6.1 - 11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit [Seite 479]
13.4.6.2 - 11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung [Seite 479]
13.4.6.3 - 11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit [Seite 480]
13.4.6.4 - 11.4.6.4 Grenzzustand der auÃYergewöhnlichen Beanspruchung [Seite 481]
13.4.6.5 - 11.4.6.5 Weitere Nachweise [Seite 481]
13.5 - Literatur [Seite 481]
14 - Index [Seite 483]
1 Die Geschichte der Windenergie 1.1 Einleitung

Wind wird wahrscheinlich seit mehr als 1?500 Jahren als Energiequelle genutzt. In Zeiten, in denen andere Energiequellen nicht bekannt oder knapp waren, stellte Windenergie ein sehr erfolgreiches Mittel zur industriellen und wirtschaftlichen Entwicklung dar. Windenergie wurde zu einer Marginalquelle, als kostengünstige, einfach zu erschließende und reichlich vorhandene Energiequellen verfügbar wurden. Vom Standpunkt des Beitrags der Windenergie zur wirtschaftlichen Entwicklung aus betrachtet, kann man die Geschichte der Windenergie in vier sich überschneidende Zeitabschnitte einteilen. Außer im ersten Abschnitt liegt das Augenmerk hierbei auf der Stromerzeugung durch Wind.

 

Bild 1.1 Historische Entwicklung der Nutzung des Windes als Energiequelle. Die erste und letzte Periode haben die deutlichsten Auswirkungen auf die Gesellschaft. Die Jahresangaben sind Anhaltswerte für die Zeiträume der jeweiligen Entwicklungsperioden [Foto: Jos Beurskens]

   

600?1890: Klassische Periode Klassische Windmühlen für mechanische Antriebe; mehr als 100?000 Windmühlen in Nordwesteuropa. Die Periode endet nach der Erfindung der Dampfmaschine und aufgrund reichlicher Holz- und Kohlevorkommen.

1890?1930: Aufkommen elektrizitätserzeugender Windkraftanlagen Die Entwicklung der Elektrizität zu einer für jedermann zugänglichen Energiequelle führt zum Einsatz von Windmühlen als einer zusätzlichen Möglichkeit zur Stromerzeugung. Grundlagen im Bereich der Aerodynamik. Die Periode endet aufgrund preisgünstigeren Erdöls.

1930?1960: Erste Innovationsphase Die Notwendigkeit der Elektrifizierung ländlicher Gebiete und die Energieknappheit während des 2. Weltkriegs lösen neue Entwicklungen aus. Fortschritt im Bereich der Aerodynamik. Die Periode endet aufgrund preisgünstigeren Gases und Erdöls.

seit 1973: Zweite Innovationsphase mit Kommerzialisierung Die Energiekrise und Umweltproblematik in Kombination mit technologischem Fortschritt sorgen für den kommerziellen Durchbruch.

Während der klassischen Periode wandelten die "Windvorrichtungen" (Windmühlen) die kinetische Energie des Windes in mechanische Energie um. Nachdem Stromerzeuger wie Gleichstrom- und Wechselstromgeneratoren erfunden wurden und man sie für die öffentliche Stromversorgung einsetzte, wurden Windmühlen zur Stromerzeugung genutzt. Diese Entwicklung begann effektiv im späten 19. Jahrhundert und wurde nach der Energiekrise von 1973 zu einem großen wirtschaftlichen Erfolg.

Um zwischen den verschiedenen Anlagen klar unterscheiden zu können, werden sie in diesem Buch als Windmühlen bzw. als Windkraftanlagen bezeichnet.

1.2 Die ersten Windmühlen: 600?1890

Wassermühlen gelten sehr wahrscheinlich als Wegbereiter für Windmühlen. Wassermühlen wiederum entwickelten sich aus Vorrichtungen, die von Menschen oder Tieren angetrieben wurden. Die Vorrichtungen, die uns aus historischen Quellen bekannt sind, besaßen eine vertikale Hauptwelle, an die senkrecht ein Querbalken angebracht war, um die Hauptwelle anzutreiben. Der Querbalken wurde von Nutztieren, wie Pferden, Eseln oder Kühen, angetrieben. Es scheint nur logisch zu sein, dass sich die vertikalen Windmühlen aus diesen Vorrichtungen entwickelten. Jedoch gibt es nur wenige historische Quellen, die dies belegen. Es lassen sich mehr Quellen über die "nordischen" oder "griechischen" Wassermühlen finden, die sich aus den von Tieren angetrieben Vorrichtungen entwickelten. Um 1000 vor Christus hatten diese Arten von Wassermühlen ihren Ursprung in den Hügeln des östlichen Mittelmeerraums und wurden auch in Schweden und Norwegen genutzt [8].

Die ersten Windmühlen mit vertikaler Hauptwelle fand man in Persien und China. Mitte des 7. Jahrhunderts n.?Chr. war der Bau von Windmühlen ein hoch angesehenes Handwerk in Persien [7]. In China wurden vertikale Windmühlen von Händlern eingeführt. Der erste Europäer, der über Windmühlen in China berichtete, war Jan Nieuhoff, der 1656 mit einem der niederländischen Botschafter nach China reiste. Bis vor Kurzem waren ähnliche Windmühlen in China noch in Gebrauch (siehe Bild 1.2).

Eine andere Art der Vorrichtung waren die Tretmühlen, die durch die Körperkraft von Menschen oder Tieren angetrieben wurden. Radial zur Hauptwelle waren Schaufeln angeordnet. Indem man Körperkraft von Menschen oder Tieren durch die Kraft von fließendem Wasser ersetzte, entwickelte sich die horizontale Wassermühle aus der Tretmühle. Auf diesem Wege entstanden im 1. Jahrhundert vor Christus die sogenannten vitruvischen Wassermühlen, welche durch den Römer Vitruvius eingeführt wurden. Diese Wassermühle kann als Prototyp für das unterschlächtige Wasserrad angesehen werden, das in ganz Europa in Flüssen und Bächen mit niedrigen Wasserhöhedifferenzen zu finden ist. Es wird weithin angenommen, dass das vitruvische Rad der Vorläufer der horizontalen Windmühle ist [8].

 

Bild 1.2 Schematische Darstellung der Funktionsweise einer chinesischen Windmühle. Durchgezogene Linien stellen Flügel und strich-punktierte Linien Seile dar [2]

Die ersten horizontalen Windmühlen wurden während der Kreuzzüge im Vorderen Orient und später in Nordwesteuropa gefunden. Diese Windmühlen verfügten über eine fixierte Rotorkonstruktion, die nicht in den Wind gedreht werden konnte (Gieren). Die Rotorflügel dieser Windmühlen waren denen ähnlich, die man heute z.?B. noch auf der griechischen Insel Rhodos beobachten kann. Um 1100 wurde über die ersten festen Bockwindmühlen, die auf den Pariser Stadtmauern standen, berichtet. Es ist unklar, ob die Windmühlen, die weit verbreitet waren, über den Vorderen Orient nach Europa kamen oder in Westeuropa wiedererfunden wurden. Einige Autoren zweifeln sogar an der Existenz von horizontalen Windmühlen im Vorderen Orient während der Kreuzzüge [7, 26]. Andere wiederum sprechen nur von vertikalen Windmühlen zu jener Zeit [15, 16].

Die Annahme, dass die Windmühlen Westeuropas unabhängig von jenen des Vorderen Orients erfunden wurden, wird durch Dokumente gestützt, die in Archiven der niederländischen Provinz Drenthe gefunden wurden. In diesen Dokumenten, die aus dem Jahr 1040, also der Zeit vor den ersten Kreuzzügen, stammen, werden zwei Windmühlen (Deurzer Diep und Uffelte) erwähnt. Während der Renaissance wurden auch in Europa einige vertikale Windmühlen gebaut. Besonders bekannt war die von Kapitän Hooper gebaute Windmühle in Margate London [23].

Technische Entwicklung der ersten horizontalen Windmühlen

Die ersten Windmühlen verfügten über keinen Giermechanismus und die Flügel bestanden aus einem Rahmen aus Längs- und Querstangen, durch den Segeltuch geschnürt war (siehe Bild 1.3). Die Leistungsabgabe wurde dadurch gesteuert, dass man das Tuch entweder ganz oder teilweise von Hand aufwickelte (siehe Bild 1.3).

 

Bild 1.3 "Leistungssteuerung" einer klassischen Windmühle [Foto: Jos Beurskens]

Aus statischen Gründen wurde die Hauptwelle mit einem Neigungswinkel versehen (Abmessungen des Mühlengebäudes, der Achsenlast auf das Axialgleitlager, die Möglichkeit ein tragendes Gebäude bzw. einen konischen Turm zur Stabilisierung zu bauen).

Vor der Untersuchung der globalen Entwicklung von Windmühlen zu Windkraftanlagen, mit denen man heutzutage Strom erzeugt, wird die Entwicklung der klassischen Windmühle in Westeuropa beschrieben.

Obwohl in den windigen Regionen Europas der Wind vornehmlich aus einer bestimmten Richtung kommt, variiert die Windrichtung so stark, dass ein Giermechanismus sinnvoll ist, um bei seitlichem Anströmen des Windes nicht zu viel Energie zu verlieren. Diese Anforderung führte zu den ersten Bockwindmühlen (siehe Bild 1.4), welche in den Wind gegiert werden konnten. Diese Windmühlen wurden zum Mahlen von Getreide genutzt. Durch einen starken Balken, der am Mühlenhaus angebracht war, konnte das gesamte Haus, das auf einer fixierten Unterkonstruktion stand, so weit gedreht werden, bis der Rotor senkrecht zum Wind stand. Oft wurden die Stützbalken der Unterkonstruktion so mit Holzplanken verkleidet, dass ein Lagerraum entstand. Der Mühlstein und die Zahnräder befanden sich im drehbaren Mühlenhaus.

 

Bild 1.4 Bockwindmühle, Baexem, Niederlande [Foto: Jos Beurskens]

Eine der ersten Schilderungen über diese Windmühlenart, die auf das Jahr 1299 datiert ist, stammt aus einem Kloster in Sint Oedenrode, in der Region Noord Brabant in den Niederlanden. Ein anderer Versuch, den Rotor in den Wind zu drehen, bestand darin, die Windmühle auf eine schwimmende Plattform zu bauen. Die Plattform war mittels eines Gelenks an einem Pfahl befestigt, der in den Grund eines Sees eingeschlagen war. Vermutlich aufgrund der fehlenden Stabilität dieser Windmühle, die 1594 im Norden von Amsterdam gebaut worden war, wurde nie wieder eine solche Mühle errichtet. Dieses Konzept, das als erste Offshore-Windkraftanlage der Welt gelten kann, wurde nicht weiterverfolgt.

Aus der Bockwindmühle entwickelte sich die sogenannte Kokerwindmühle (siehe Bild 1.5). Nach 1400 wurden Windmühlen in den flacheren Regionen der...

Die Windenergie ist schon heute die wichtigste erneuerbare Energiequelle in der Stromerzeugung und in Zukunft wird ihre Bedeutung noch wachsen. Dieses Lehrbuch stellt die Windenergie im Gesamtzusammenhang von der Ressource Wind bis hin zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit dar.

In elf Kapiteln bekommen Leser einen Überblick über das breite Spektrum der Windenergietechnik. Das Lehrbuch schafft so den Brückenschlag zwischen Theorie und Praxis. Die Grundlagen werden dabei leicht verständlich vermittelt und durch Beispiele verdeutlicht.
Zahlreiche Übungsaufgaben dienen dem besseren Verständnis und helfen, das Gelernte praxisnah umsetzen zu können.

Die zweite Auflage wurde umfassend aktualisiert, überarbeitet und neuesten Standards angepasst.

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

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