Einführung in die Windenergietechnik

Name: Einführung in die Windenergietechnik
Brand: Hanser
Price: 49.99 EUR
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Alois P. Schaffarczyk(Herausgeber*in)

Hanser (Verlag)

3. Auflage

Erschienen am 11. April 2022

574 Seiten

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978-3-446-47322-5 (ISBN)

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Inhalt

Intro
Inhaltsverzeichnis
Vorwort
Vorwort zur zweiten Auflage
Vorwort zur dritten Auflage
Die Autoren
Danksagung
1 Die Geschichte der Windenergie
Jos Beurskens
1.1 Einleitung
1.2 Die ersten Windmühlen: 600 -1890
1.3 Stromerzeugung durch Windmühlen: Windkraftanlagen 1890 -1930
1.4 Der erste Innovationszeitraum: 1930 -1960
1.5 Der zweite Innovationszeitraum und die volle Kommerzialisierung: ab 1960 bis heute
2 Die internationale Entwicklung der Windenergie
Klaus Rave
2.1 Der Beginn der modernen Energiedebatte
2.2 Zur Erneuerung der Energiemärkte
2.3 Zur Bedeutung der Stromnetze
2.4 Die erneuerte Wertschöpfungskette
2.5 Internationale Perspektiven
2.6 Der Ausbau in ausgewählten Ländern
2.7 Zur Rolle der EU
2.8 Internationale Institutionen und Organisationen
2.9 Global Wind Energy Outlook 2010 - Der globale Blick in die Zukunft
2.10 Aktualisierung auf der Basis von 2015
3 Der Wind - von der Theorie zur Praxis
Wiebke Langreder
3.1 Atmosphärische Skalen in Zeit und Raum
3.1.1 Einleitung
3.1.2 Globale Skalen - Entstehung Globaler Windsysteme
3.1.3 Mesoskalare Phänomene - Entstehung lokaler Windsysteme
3.1.4 Mikroskalare Phänomene - Die Turbulenz
3.2 Die atmosphärische Grenzschicht
3.2.1 Das vertikale Windprofil
3.2.2 Einfluss der Rauigkeit auf das Windprofil
3.2.3 Einfluss der atmosphärischen Stabilität auf das Windprofil
3.2.4 Einfluss der Orographie auf das Windprofil
3.2.5 Einfluss von Hindernissen auf das Windprofil
3.3 Statistische Darstellung des Windes
3.3.1 Das Leistungsspektrum
3.3.2 Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeit
3.3.3 Windrichtungsverteilung
3.4 Strömungsmodelle
3.4.1 Reanalysemodelle
3.4.2 Mesoskalige Modelle
3.4.3 Mikroskalige Modelle
3.4.3.1 Linearisierte Modelle - WAsP
3.4.3.2 Nicht-linearisierte Modelle
3.5 Der erste Schritt: Standortidentifikation
3.6 Der zweite Schritt: Erfassung des Windklimas
3.6.1 Einleitung
3.6.2 Anemometer
3.6.2.1 Schalenkreuzanemometer (engl. cup anemometer)
3.6.2.2 Ultraschallanemometer (engl. sonic anemometer)
3.6.2.3 Messmastgeometrie
3.6.3 Fernerkundungssysteme (engl. remote sensing)
3.6.3.1 LiDAR
3.6.3.2 SoDAR
3.6.4 Produktionsdaten
3.6.5 Messperiode und Mittelungszeit
3.7 Der dritte Schritt: Datenanalyse
3.7.1 Qualitätskontrolle
3.7.2 Datenkorrekturen
3.7.3 Langzeitkorrektur
3.8 Der vierte Schritt: Räumliche Extrapolation
3.9 Der fünfte Schritt: Wahl der Windenergieanlage
3.9.1 Turbulenz
3.9.2 Vertikaler Gradient (Scherung)
3.9.3 Schräganströmung
3.9.4 Extremwinde
3.10 Der sechste Schritt: Energieertrag
3.10.1 Energieertrag der Einzelanlage
3.10.2 Energieertrag des Windparks
3.10.3 Weitere Produktionsverluste
3.10.4 Unsicherheitsanalyse
4 Aerodynamik und Blattentwurf
Alois P. Schaffarczyk
4.1 Zusammenfassung
4.2 Einleitung
4.3 Horizontalanlagen
4.3.1 Allgemeines
4.3.2 Aerodynamische Grundbegriffe
4.4 Integrale Impulsverfahren
4.4.1 Impulstheorie der Windturbine: der Betz'sche Grenzwert
4.4.2 Änderung der Luftdichte durch Temperatur und Höhe
4.4.3 Einfluss der endlichen Blattzahl
4.4.4 Drallverluste und lokale Optimierung des Flügels nach Glauert
4.4.5 Verluste durch Profilwiderstand
4.5 Impulstheorie der Blattschnitte
4.5.1 Die Formulierung
4.5.2 Beispiel einer Implementierung: WT-Perf
4.5.3 Optimierung und Entwurfsregeln für Blätter
4.5.4 Erweiterung der Blattschnittverfahren: Die differenzielle Formulierung, Actuator Line Verfahren
4.5.5 Dreidimensionale Strömungssimulation - CFD
4.5.6 Zusammenfassung: Horizontalanlagen
4.6 Vertikalanlagen
4.6.1 Allgemeines
4.6.2 Aerodynamik der H-Rotoren
4.6.3 Aeroelastik der Vertikalrotoren
4.6.4 Ein 50-kW-Rotor als Beispiel
4.6.5 Entwurfsregeln für Kleinwindanlagen nach dem H-Darrieus-Typ
4.6.6 Zusammenfassung: Vertikalrotoren
4.7 Windangetriebene Fahrzeuge mit Rotor
4.7.1 Einleitung
4.7.2 Zur Theorie der windgetriebenen Fahrzeuge
4.7.3 Ein Zahlenbeispiel
4.7.4 Das Kieler Auslegungsverfahren
4.7.5 Auswertung
4.7.6 Realisierte Fahrzeuge
4.7.7 Zusammenfassung: Windautos
4.8 Übungsaufgaben
5 Rotorblattstruktur
Malo Rosemeier, Alexander Krimmer
5.1 Einführung
5.2 Normative Anforderungen
5.2.1 Zertifizierung
5.2.2 Sicherheitskonzept
5.2.3 Entwicklungszyklus des Rotorblattes
5.3 Belastungen
5.3.1 Belastungsarten
5.3.2 Lastrechnung
5.3.3 Auslegungslastfälle
5.3.4 Skalierungseffekte
5.4 Materialien
5.4.1 Faser-Kunststoff-Verbunde
5.4.2 Textile Halbzeuge
5.4.3 Materialprüfung
5.4.4 Elastizitäten der unidirektionalen Einzelschicht (ES)
5.4.5 Kernmaterialien
5.4.6 Klebstoffe
5.4.7 Beschichtung
5.4.8 Metalle
5.5 Strukturmodelle
5.5.1 Geometrie und Struktur
5.5.2 Querschnittseigenschaften
5.5.3 Balkenmodelle
5.5.4 Modelle für dünnwandige Strukturen
5.5.5 Ganzblatt- und Detailmodelle
5.6 Blattanschlusskonzepte
5.7 Strukturnachweise
5.7.1 Festigkeitsnachweise für Faser-Kunststoff-Verbunde
5.7.2 Stabilitätsnachweise
5.7.3 Nachweise der Klebverbindung
5.7.4 Nachweise des Sandwichkerns
5.7.5 Nachweise der Dehnschraube
5.7.6 Gebrauchstauglichkeitsnachweise
5.8 Fertigung
5.8.1 Verfahren
5.8.2 Abweichungen
5.9 Topologieoptimierung
5.9.1 Optimierungsziele
5.9.2 Aeroelastische Eigenschaften
5.9.3 Fertigungsbezogene Entwicklung
5.9.4 Blattanschluss
5.9.5 Blattsegmentierung
5.10 Nachhaltigkeit
6 Der Triebstrang
Hans Kyling
6.1 Einleitung
6.2 Blattwinkelverstellsysteme
6.3 Rotornabe
6.4 Triebstrangkomponenten
6.4.1 Rotorarretierungen und Rotordrehvorrichtungen
6.4.2 Rotorwelle
6.4.3 Rotorlagerung
6.4.4 Getriebe
6.4.5 Bremse und Kupplung
6.4.6 Generator
6.4.7 Windrichtungsnachführung
6.5 Triebstrangkonzepte
6.5.1 Direktgetrieben - Doppelte Lagerung
6.5.2 Direktgetrieben - Momentenlager
6.5.3 1-2-Stufengetriebe - Doppelte Lagerung
6.5.4 1-2-Stufengetriebe - Momentenlagerung
6.5.5 3-4-Stufengetriebe - Doppelte Lagerung
6.5.6 3-4-Stufengetriebe - Dreipunktlagerung
6.5.7 3-4-Stufengetriebe - Momentenlagerung
6.6 Schäden und Schadensursachen
6.7 Auslegung von Triebstrangkomponenten
6.8 Validierung
6.9 Schutzrechte in der Windenergie
7 Turm und Gründung
Torsten Faber
7.1 Einleitung
7.2 Richtlinien und Normen
7.3 Beanspruchung von Türmen
7.3.1 Ermüdungslasten
7.3.2 Extremlasten
7.4 Nachweise des Turms
7.4.1 Tragfähigkeitsnachweise
7.4.2 Gebrauchstauglichkeitsnachweise
7.4.3 Schwingungsberechnungen (Eigenfrequenzen)
7.5 Konstruktionsdetails
7.5.1 Öffnungen in der Wand von Stahlrohrtürmen
7.5.2 Ringflanschverbindungen
7.5.3 Schweißverbindungen
7.6 Werkstoffe für Türme
7.6.1 Stahl
7.6.2 Beton
7.6.3 Holz
7.6.4 Glasfaserverstärkter Kunststoff
7.7 Ausführungsformen
7.7.1 Rohrtürme
7.7.2 Gittermasten
7.7.3 Abgespannte Türme
7.7.4 Verschiedene Turmkonzepte im Vergleich
7.8 Gründungen von Onshore-WEA
7.8.1 Gründungen und Fundamentbautypen
7.8.2 Übergang zwischen Turm und Fundament
7.8.3 Nachweise für die Gründung
8 Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen
Friedrich Fuchs
8.1 Einführung
8.2 Wechselspannungs- und Drehspannungssystem
8.3 Transformator
8.3.1 Prinzip, Gleichungen
8.3.2 Ersatzschaltbild, Zeigerdiagramm
8.3.3 Vereinfachtes Ersatzschaltbild
8.3.4 Drehstromtransformatoren
8.4 Generatoren für Windenergieanlagen
8.4.1 Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer
8.4.1.1 Aufbau
8.4.1.2 Grundlegende Funktion
8.4.1.3 Spannungsgleichungen
8.4.1.4 Ersatzschaltbild
8.4.1.5 Zeigerdiagramm
8.4.1.6 Heylandkreis
8.4.1.7 Leistung
8.4.1.8 Moment
8.4.1.9 Drehzahlregelung der Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer
8.4.2 Asynchronmaschine mit Schleifringläufer
8.4.2.1 Aufbau
8.4.2.2 Grundlegende Funktion
8.4.2.3 Spannungsgleichungen
8.4.2.4 Ersatzschaltbild
8.4.2.5 Zeigerdiagramm und Stromortskurve
8.4.2.6 Drehzahlregelung
8.5 Synchronmaschinen
8.5.1 Generelle Funktion
8.5.2 Spannungsgleichungen und Ersatzschaltbild
8.5.3 Leistung und Moment
8.5.4 Ausführungsformen fremderregter Synchronmaschinen
8.5.5 Permanenterregte Synchronmaschinen
8.5.6 Drehzahlvariabler Betrieb der Synchronmaschine
8.6 Umrichtersysteme für Windenergieanlagen
8.6.1 Generelle Funktion
8.6.2 Frequenzumrichter in Zweistufenschaltung
8.6.2.1 Schaltung
8.6.2.2 Pulsweitenmodulation
8.6.3 Frequenzumrichter in Mehrstufenschaltung
8.7 Regelung von drehzahlvariablen Umrichter-Generatorsystemen
8.7.1 Regelung des umrichtergespeisten Asynchrongenerators mit Kurzschlussläufer
8.7.2 Regelung der doppeltgespeisten Asynchronmaschine
8.7.3 Regelung der Synchronmaschine
8.7.4 Regelung des netzseitigen Umrichters
8.7.5 Auslegung der Regelung
8.8 Netzintegration
8.9 Weitere elektrotechnische Komponenten
8.10 Eigenschaften der Leistungselektronik-Generatorsysteme in der Übersicht
8.11 Übungsaufgaben
9 Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen
Reiner Schütt
9.1 Grundlegende Zusammenhänge
9.1.1 Einordnung der WES-Automation
9.1.2 Systemeigenschaften der Energiewandlung in WEA
9.1.3 Energiewandlung des Rotors
9.1.4 Energiewandlung des Antriebsstrangs
9.1.5 Energiewandlung des Generator-Umrichtersystems
9.1.6 Idealisierte Betriebskennlinien von WEA
9.2 Regelsysteme der WEA
9.2.1 Gierwinkelregelung
9.2.2 Blattwinkelregelung
9.2.3 Wirkleistungsregelung
9.2.4 Blindleistungsregelung
9.2.5 Zusammenfassung des Regelverhaltens und erweiterte Betriebsbereiche der WEA
9.3 Betriebsführungssysteme für WEA
9.3.1 Steuerung des Betriebsablaufs von WEA
9.3.2 Sicherheitssysteme
9.4 Windparksteuer- und -regelsysteme
9.5 Fernbedienung und -überwachung
9.6 Kommunikationssysteme für WES
10 Netzintegration von Windenergieanlagen
Clemens Jauch
10.1 Einführung in Netzintegration von WEA
10.1.1 Einführung in elektrische Netze
10.1.1.1 Netztopologie
10.1.1.2 Dreiphasensysteme und einphasige Äquivalenzen
10.1.1.3 Per-Unit-System
10.1.1.4 Grundlegende Größen elektrischer Netze
10.1.1.5 Wechselspannungsleistung
10.1.1.6 Netzstabilität
10.1.2 Standard WEA-Typen nach Netzverhalten
10.1.2.1 Typ I - Drehzahlstarre WEA mit Asynchrongenerator mit Kurzschlussläufer
10.1.2.2 Typ II - Semi-drehzahlvariable WEA mit Schleifringläufer-Asynchrongenerator
10.1.2.3 Typ III - Semi-drehzahlvariable WEA mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator
10.1.2.4 Typ IV - Drehzahlvariable WEA mit Vollumrichter
10.1.2.5 Typ V - WEA mit netzgekoppeltem Synchrongenerator
10.1.3 Traditionelle Aspekte der Netzintegration von WEA
10.1.4 Überblick über aktuelle Herausforderungen in der Netzintegration von WEA
10.1.4.1 Netztopologie und Auslastung von Leitungen
10.1.4.2 Netzstabilität mit WEA
10.1.4.3 Trägheitsbereitstellung und Kurzschlussstrombeitrag
10.1.4.4 Netzanschlussregeln
10.1.4.5 Mechanische WEA-Belastungen aus Netzdienstleistungen
10.2 Netzspannung
10.2.1 Ersatzschaltbilder von Netzkomponenten
10.2.1.1 Generatoren
10.2.1.2 Leitungen
10.2.1.3 Transformatoren
10.2.2 Spannungssteifigkeit und Kurzschlussleistung
10.2.3 Spannungsstabilität
10.2.4 Transiente Netzspannungseinbrüche
10.3 Spannungsstabilität mit WEA
10.3.1 Spannungsstützung mit WEA
10.3.2 Durchfahren transienter Netzspannungseinbrüche
10.3.2.1 Triebstrangbeschleunigung und Wirkleistungswiederkehr
10.3.2.2 Blindstrombereitstellung
10.3.2.3 Kurzschlussstrombeitrag
10.4 Netzfrequenz
10.4.1 Frequenzregelung
10.4.2 Netzträgheit
10.4.2.1 Trägheitskonstante, H
10.4.2.2 Leistung aus Trägheitsbereitstellung
10.4.3 Dämpfung untersynchroner Netzfrequenzschwingungen
10.4.4 Netzfrequenzstabilität
10.5 Netzfrequenzstabilität mit WEA
10.5.1 Trägheitsbereitstellung durch WEA
10.5.2 Schnelle Regelleistungsbereitstellung durch WEA
10.5.3 Pendeldämpfung mit WEA
11 Offshore-Windenergie
Christian Keindorf
11.1 Einführung
11.1.1 Historie und Entwicklungstrends
11.1.2 Unterschiede zwischen Onshore- und Offshore-WEA
11.1.3 Planungsgrundlagen für Offshore-Windparks
11.1.4 Umweltschutz und Arbeitssicherheit
11.2 Wesentliche Komponenten eines Offshore-Windparks
11.2.1 Turbinen für OWEA
11.2.2 Tragstrukturen für OWEA
11.2.2.1 Turm
11.2.2.2 Transition Piece
11.2.3 Fest verankerte Gründungstrukturen für OWEA
11.2.3.1 Monopile
11.2.3.2 Schwerkraft
11.2.3.3 Jacket
11.2.3.4 Tripod
11.2.3.5 Tripile
11.2.3.6 Suction-Bucket
11.2.4 Schwimmende Gründungstrukturen für OWEA
11.2.4.1 Spar Buoy
11.2.4.2 Tension Leg Plattform (TLP)
11.2.4.3 Halbtaucher (Semi-Submersible Platform)
11.2.5 Offshore-Stationen
11.2.6 Seekabel
11.2.7 Forschungsplattformen und Messmasten
11.3 Einwirkungen auf OWEA
11.3.1 Ständige Einwirkungen
11.3.2 Aerodynamische Lasten
11.3.3 Hydrostatische Lasten
11.3.4 Hydrodynamische Lasten
11.3.4.1 Strömungen
11.3.4.2 Belastungen durch Strömungen
11.3.4.3 Wellen
11.3.4.4 Lineare Wellentheorien
11.3.4.5 Nichtlineare Wellentheorien
11.3.4.6 Belastungen durch Wellen
11.3.4.7 Regelmäßiger Seegang
11.3.4.8 Unregelmäßiger oder natürlicher Seegang
11.3.4.9 Seegangsspektren
11.3.5 Einwirkungen infolge Temperatur
11.3.6 Einwirkungen infolge Eis
11.3.7 Funktionale Einwirkungen
11.3.8 Außergewöhnliche Einwirkungen
11.4 Bemessung von Offshore-Bauwerken für die Windenergie
11.4.1 Entwurfsgrundlagen
11.4.2 Standortbedingungen
11.4.2.1 Meteorologische und ozeanographische Bedingungen
11.4.2.2 Baugrunderkundung und Bodeneigenschaften
11.4.2.3 Kolkbildung
11.4.2.4 Eisbildung
11.4.2.5 Mariner Bewuchs
11.4.2.6 Korrosion
11.4.3 Sicherheitskonzept
11.4.3.1 Teilsicherheitsbeiwerte
11.4.3.2 Charakteristische Werte der Einwirkungen
11.4.3.3 Charakteristische Werte der Materialwiderstände
11.4.3.4 Bemessungskonzept
11.4.4 Lastfälle und Lastfallkombinationen
11.4.5 Berechnungsmethoden
11.4.6 Nachweismethoden und Grenzzustände
11.4.6.1 Grenzzustand der Tragfähigkeit
11.4.6.2 Grenzzustand der Ermüdung
11.4.6.3 Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit
11.4.6.4 Grenzzustand der außergewöhnlichen Beanspruchung
11.4.6.5 Zusätzliche Nachweise
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