Einführung in die Windenergietechnik
- 2022
- Buch
- Herausgegeben von
- Alois Schaffarczyk
- Verlag
- Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
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Inhaltsverzeichnis
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Frontmatter
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1. Die Geschichte der Windenergie
Jos BeurskensDie Geschichte der Windenergie lässt sich in vier sich überschneidende Zeitabschnitte einteilen, wobei die klassische Periode von 600 bis 1890 und die zweite Innovationsphase ab 1973 die deutlichsten Auswirkungen auf die Gesellschaft hatten. In der klassischen Periode wurden Windmühlen für industrielle und wirtschaftliche Entwicklung genutzt, während die zweite Innovationsphase durch die Energiekrise von 1973 und die Notwendigkeit der Umweltproblematik geprägt war. Die Entwicklung der Windenergie reicht von mechanischen Antrieben über elektrische Stromerzeugung bis hin zu modernen Offshore-Windparks. Technologische Innovationen wie aerodynamische Konzepte und leistungsstarke Turbinen haben die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Windenergie erheblich gesteigert. Die Geschichte zeigt auch die enge Verzahnung von Theorie und Praxis sowie die Bedeutung politischer Unterstützung für den Erfolg der Windenergiebranche.KI-Generiert
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ZusammenfassungWind wird wahrscheinlich seit mehr als 1500 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. -
2. Die internationale Entwicklung der Windenergie
Klaus RaveZusammenfassungWindenergie ist eine universelle Ressource. Sie kann als Lösung für eine Vielzahl der globalen Energieprobleme nicht nur theoretisch, sondern auch tatsächlich dienen. Mit ihrer Hilfe kann Strom erzeugt werden, die Leitenergie des 21. Jahrhunderts. Die Endlichkeit der fossilen Ressourcen sowie deren geografisch ungleichgewichtige Verteilung, die Folgen der Klimaveränderung aufgrund deren Verbrennung, die Gefahren des nuklearen Sektors, zuletzt dramatisch in Japan bzw. Fukushima erlebbar, finden zunehmend Antworten und Alternativen in der Stromerzeugung durch regenerative Quellen, allen voran durch die Nutzung der Windenergie. Im globalen Maßstab wird die Windenergie das Rückgrat einer klimafreundlichen Stromversorgung bilden. -
3. Der Wind – von der Theorie zur Praxis
Wiebke LangrederDas Kapitel 'Der Wind – von der Theorie zur Praxis' behandelt die Skalenanalyse meteorologischer Bewegungssysteme in der Atmosphäre und deren Bedeutung für die Windenergie. Es beginnt mit der Einführung in die Skalenanalyse und die dynamische Meteorologie, die zur Vereinfachung der Navier-Stokes-Gleichungen dient. Globale Windsysteme entstehen durch die ungleichmäßige Sonneneinstrahlung und die daraus resultierenden Druckunterschiede. Diese Systeme beeinflussen den Energieertrag von Windenergieanlagen in verschiedenen Regionen. Mesoskalige Phänomene wie lokale Windsysteme durch Temperaturunterschiede werden ebenfalls untersucht. Turbulenz spielt eine entscheidende Rolle in der Auslegung von Windenergieanlagen, da sie die mechanischen Lasten beeinflusst. Die atmosphärische Grenzschicht und ihre Einflüsse auf das Windprofil werden detailliert beschrieben. Schließlich werden verschiedene Strömungsmodelle und deren Anwendung in der Windenergiebranche diskutiert, einschließlich der Nutzung von Fernerkundungssystemen wie LiDAR und SoDAR zur Windmessung. Der Text bietet eine umfassende Darstellung der theoretischen und praktischen Aspekte der Windenergiegewinnung und ist besonders relevant für Fachleute in der Branche.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie Schwankungen der Windgeschwindigkeiten in der Atmosphäre gehören zu Prozessen mit Zeitintervallen von weniger als 1 Sekunde bis zu mehreren Monaten und räumlichen Strukturen von einigen Millimetern bis zu vielen hundert Kilometern (Bild 3.1). Die Skalenanalyse meteorologischer Bewegungssysteme in Raum und Zeit stammt aus der dynamischen Meteorologie und hilft, mathematische Formeln durch das Eliminieren von verzichtbaren Termen in den Bewegungsgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen) und damit auch die numerische Wettervorhersage für verschiedene Skalen zu vereinfachen. Für die Windenergie spielen verschiedene Skalen unterschiedliche Rollen: Effekte im mikroskaligen Bereich wie die Turbulenz sind wichtig für die Auslegung von Windenergieanlagen, da sie die mechanischen Lasten beeinflussen, während größere Skalen wichtig für den zu erwartenden Energieertrag sind. -
4. Aerodynamik und Blattentwurf
Alois P. SchaffarczykDas Kapitel 'Aerodynamik und Blattentwurf' behandelt die Grundlagen der Aerodynamik von Windturbinen und teilt sich in drei Hauptabschnitte: Horizontalachsrotoren, Vertikalachsrotoren und windgetriebene Fahrzeuge. Es wird die Betz’sche Grenze für die maximale Energieausbeute von Windturbinen erläutert und verschiedene Methoden zur Optimierung der Blattgeometrie und aerodynamischen Leistung vorgestellt. Besondere Aufmerksamkeit wird den Verlustmechanismen wie Drallverlusten, Profilwiderständen und lokalen Optimierungen geschenkt. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Aerodynamik von Vertikalachsrotoren und windgetriebenen Fahrzeugen, wobei die Herausforderungen und Möglichkeiten dieser Technologien beleuchtet werden.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie Aerodynamik der Windturbinen als quantitative Beschreibung der Umströmung von Teilen oder ganzen Windturbinen oder sogar Windfarmen wird in den Grundzügen dargestellt. Da nun umfassendere Darstellungen dieses Gebietes nun vorliegen [88,95], begnügen wir uns hier mit weniger Raum und verweisen zu einem gründlicheren Studium auf diese Werke und die Originalliteratur, insbesondere die Abschlussberichte zu den divesen-MexNext-Phasen [90 – 93]. -
5. Rotorblattstruktur
Malo Rosemeier, Alexander KrimmerDas Kapitel über die Rotorblattstruktur von Windenergieanlagen (WEA) mit horizontaler Achse beleuchtet die zentrale Rolle der Rotorblätter bei der Umwandlung von Windenergie in nutzbare mechanische Energie. Es betont die Komplexität des Entwurfsprozesses und die Notwendigkeit eines tiefgehenden Systemverständnisses. Die Rotorblätter werden als Kragbalken modelliert, die verschiedenen Belastungen ausgesetzt sind, darunter aerodynamische und gravitative Lasten sowie Temperaturänderungen. Die Materialwahl und die Strukturmodelle zur Nachweisführung werden detailliert erläutert. Besonderes Augenmerk liegt auf den Sicherheitskonzepten und den notwendigen Nachweisen, um die Tragfähigkeit und Betriebssicherheit der Rotorblätter zu gewährleisten. Die Fertigung und mögliche Abweichungen werden ebenfalls thematisiert, um die Zuverlässigkeit der Rotorblätter sicherzustellen. Das Kapitel bietet eine umfassende und fundierte Grundlage für Ingenieure und Konstrukteure in der Windenergiebranche.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie wesentliche Komponente einer Windenergieanlage (WEA), die die Energie des Windes in eine mechanisch nutzbare Energieform umwandelt, ist das Rotorblatt. Es stellt im Gesamtkontext der Anlage einen bedeutenden Kostenfaktor dar und hat gleichzeitig herausragenden Einfluss auf den Ertrag der Anlage. -
6. Der Triebstrang
Hans KylingDas Kapitel behandelt den Triebstrang von Windenergieanlagen (WEA) mit horizontaler Achse, der die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umwandelt. Es wird die Funktion des Triebstrangs beschrieben, der die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie umwandelt. Dabei wird auf die verschiedenen Komponenten und deren Auslegung eingegangen, insbesondere auf die Rotorlagerung, das Getriebe und den Generator. Der Triebstrang ist entlang des Lastflusses aufgebaut und beginnt an den Blattwinkelverstellsystemen und endet an der Turmkopflagerung bzw. am Generator. Die Gondel, auch als Maschinenhaus bekannt, beherbergt die zur Energieumwandlung benötigten Triebstrangkomponenten. Aufgrund der vielseitigen technischen Anforderungen und durch den Markt vorgegebenen Anforderungen an eine WEA gibt es mannigfaltige Triebstrangkonzepte. Das gewählte Konzept hat großen Einfluss auf die Turmkopfmasse und die Kosten der Anlage. Je nach Konzept können in einem Triebstrang mehr oder weniger Standardmaschinenbaukomponenten eingesetzt werden. Viele der Komponenten im Triebstrang einer WEA sind hohen Wechselbelastungen ausgesetzt, die bei der Dimensionierung der Bauteile zu berücksichtigen sind. Der Triebstrang wird in verschiedenen Darstellungsweisen beschrieben, um den Lesern (Professionals/Fachpublikum) den Inhalt des Fachbeitrags schnell zu erfassen. Die Teaser für die verschiedenen Darstellungsweisen beschreiben deskriptiv und wecken Interesse, den Fachbeitrag vollständig zu lesen.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie in diesem Kapitel als Windenergieanlagen (WEA) bezeichneten Maschinen dienen zur Wandlung der Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie. Als Antrieb dieser Maschinen kommt ein Rotor zum Einsatz, der als Repeller dem Wind kinetische Energie entzieht. Diese mechanische Energie bzw. Leistung setzt sich wie bei jedem konventionellen Kraftwerk aus einer rotatorischen Bewegung mit der Drehfrequenz ω bzw. Drehzahl n und der Kraft dieser Bewegung, dem Drehmoment M, zusammen. -
7. Turm und Gründung
Torsten FaberDas Kapitel 'Turm und Gründung' behandelt die technischen und konstruktiven Aspekte von Windenergieanlagen. Es wird auf die Herausforderungen und Lösungen bei der Konstruktion und Sicherstellung der Stabilität eingegangen. Besondere Aufmerksamkeit wird den Lasten und Belastungen geschenkt, denen Türme und Fundamente ausgesetzt sind. Dabei werden verschiedene Turm- und Gründungskonzepte vorgestellt und deren Nachweise detailliert erläutert. Auch die Materialien und deren Eigenschaften, wie Stahl, Beton und Holz, werden ausführlich diskutiert. Zudem wird auf die dynamischen Belastungen und die Notwendigkeit der Ermüdungsnachweise eingegangen, um die Sicherheit und Langlebigkeit der Anlagen zu gewährleisten.KI-Generiert
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ZusammenfassungHeutige Windenergieanlagen ragen in schwindelerregende Höhen. Die durchschnittliche Anlagenkonfiguration erreichte in Deutschland im Jahr 2020 eine Nabenhöhe von 135 m und eine Gesamthöhe von ca. 196 m (inklusive der Rotorblätter) [1]. Die derzeit höchste Onshore-Anlage erreicht mittels eines Hybridturmes eine Höhe von knapp 178 m und reiht sich mit einer Gesamthöhe von ca. 246 m in die Liga mit den höchsten Wolkenkratzern in Deutschland ein. -
8. Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen
Friedrich FuchsDas Kapitel 'Leistungselektronik-Generatorsysteme für Windenergieanlagen' behandelt die Umwandlung der mechanischen Leistung der Rotorblätter in elektrische Energie und deren Einspeisung ins Netz. Es werden verschiedene Generatortypen wie die Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer, die Asynchronmaschine mit Schleifringläufer, die permanenterregte Synchronmaschine und die fremderregte Synchronmaschine vorgestellt. Besonders hervorgehoben wird die Funktion und Aufbau von Frequenzumrichtern, die die Drehzahlregelung und die Anpassung der Generatoren an das Netz ermöglichen. Die verschiedenen Umrichter-Schaltungen wie der Zweistufenumrichter und der Dreistufenumrichter werden detailliert beschrieben. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Regelung der Generatoren, insbesondere die feldorientierte Regelung, die die optimale Leistungsabgabe und die Stabilität der Systeme gewährleistet. Das Kapitel bietet eine umfassende Darstellung der technischen Aspekte und Regelungsmechanismen, die für das Verständnis der modernen Windenergieanlagen essenziell sind.KI-Generiert
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ZusammenfassungDie mechanische Leistung, die mithilfe des Rotors der Windenergieanlage aus dem Wind gewonnen wird, wird über den Generator in elektrische Energie umgeformt und in das elektrische Netz eingespeist. -
9. Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen
Reiner SchüttDas Kapitel behandelt die Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen, wobei der Fokus auf die Automatisierung und Regelung von Windenergieanlagen (WEA) und Windparks (WP) liegt. Es wird die Notwendigkeit der Automatisierung zur Sicherstellung eines zuverlässigen und effizienten Betriebs der WEA hervorgehoben. Die Automatisierung umfasst die Messung, Steuerung, Regelung und Überwachung wesentlicher Kenngrößen innerhalb der WEA sowie die Anbindung an übergeordnete Netzleitsysteme. Besondere Aufmerksamkeit wird der Nutzung von SCADA-Systemen geschenkt, die eine umfassende Fernüberwachung und -steuerung der WEA ermöglichen. Das Kapitel bietet einen umfassenden Überblick über die technischen und kommunikativen Systeme, die für den Betrieb von WEA und WP erforderlich sind, und hebt die Bedeutung der Sicherheitssysteme zur Vermeidung von Störungen und zur Einhaltung von Netzanschlussbedingungen hervor. Die detaillierte Beschreibung der Regelsysteme und der Betriebsführungssysteme verdeutlicht die Komplexität und die notwendige Präzision bei der Steuerung und Regelung von Windenergiesystemen.KI-Generiert
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ZusammenfassungWindenergieanlagen (WEA) oder mehrere in einem Windpark (WP) zusammengefasste WEA sind komplexe Systeme, deren Betrieb eine weitgehende Automatisierung sowohl des Gesamtsystems als auch der Teilsysteme erfordert. Dabei wird erwartet, dass Windenergiesysteme (WES) hinsichtlich der Zuverlässigkeit, der Effizienz und der Betriebsführung mindestens die Anforderungen an konventionelle Kraftwerke erfüllen. Im Unterschied zu konventionellen Kraftwerken kann dabei die Energiezufuhr, die sich aufgrund der Windgeschwindigkeit sehr stark und sehr schnell ändert, nicht beeinflusst werden. Für den selbsttätigen und sicheren Betrieb und die weitgehend selbsttätige Anpassung des Betriebs von WES an unterschiedliche Einsatzbedingungen ist daher eine komplexe Automatisierungstechnik erforderlich, die die Aufgaben auf unterschiedliche Teilsysteme verteilt. -
10. Netzintegration von Windenergieanlagen
Clemens JauchDas Kapitel 'Netzintegration von Windenergieanlagen' behandelt die zunehmende Bedeutung von Windenergieanlagen (WEA) für die Stabilität elektrischer Netze. Es wird die Notwendigkeit der Integration von WEA in bestehende Netze erläutert und die historischen und aktuellen Herausforderungen beleuchtet. Ein Schwerpunkt liegt auf der Stabilität der Netzspannung und -frequenz, insbesondere in entlegenen Gebieten mit schwachen Leitungen. Das Kapitel untersucht auch die Rolle von WEA bei der Frequenzstabilität und die Probleme, die durch den Ersatz konventioneller Kraftwerke durch WEA entstehen. Zudem werden neue Netzanschlussregeln und die mechanischen Belastungen der WEA durch Netzdienstleistungen thematisiert. Besonders hervorhebenswert ist die detaillierte Betrachtung der Spannungsstabilität und die Diskussion über die Notwendigkeit von Energiespeichern zur Unterstützung der Netzstabilität.KI-Generiert
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ZusammenfassungMittlerweile hängt die Stabilität der elektrischen Netze in vielen Ländern maßgeblich von den Eigenschaften moderner Windenergieanlagen (WEA) ab. Moderne WEA zeichnen sich durch ihre Nennleistung im Bereich mehrerer Megawatt (MW) und durch die Fähigkeit zum flexiblen Betrieb aus. Für eine einzelne WEA sind mehrere MW eine große Leistung. Für das Netz bedeutet der Ersatz konventioneller Kraftwerke durch WEA jedoch, dass wenige große Kraftwerke (Nennleistungen jeweils im Bereich vieler hundert MW) durch viele, geografisch verstreute, WEA ersetzt werden. -
11. Offshore-Windenergie
Christian KeindorfDas Kapitel 'Offshore-Windenergie' behandelt die Entwicklung und den aktuellen Stand der Offshore-Windenergie in Europa. Bis Ende 2020 waren in Europa insgesamt 25 GW Offshore-Windenergie installiert, verteilt auf 116 Windparks in 12 Ländern. Die Kapazität der Offshore-Windenergie in Europa hat sich in den letzten Jahren erheblich gesteigert, mit Deutschland als führendem Land mit 7689 MW installierter Leistung. Das Kapitel beschreibt auch die verschiedenen Gründungsstrukturen für Offshore-Windenergieanlagen, wie Monopiles, Jackets und Tripods, sowie die technischen Herausforderungen und Kostenaspekte bei der Installation und dem Betrieb dieser Anlagen. Es werden auch die Netzanbindungen und die zukünftigen Prognosen für die Offshore-Windenergie in Europa diskutiert, einschließlich der Ziele des European Green Deal und der erwarteten Kapazitätssteigerungen bis 2030. Besondere Aufmerksamkeit wird den Kostenreduktionsstrategien und den technischen Innovationen geschenkt, die die Offshore-Windenergie wettbewerbsfähiger machen sollen.KI-Generiert
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ZusammenfassungDer Anteil der Offshore-Windenergie an der Stromversorgung in Europa hat in den letzten Jahren deutlich zugenommen. Bis Ende des Jahres 2020 war eine Kapazität von ca. 25 GW in Europa vollständig in Betrieb genommen. Es existieren mittlerweile 116 Offshore-Wind-parks, die 12 europäischen Ländern zugeordnet werden können. Dafür wurden insgesamt 5402 Offshore-Windenergieanlagen (OWEA) installiert, wovon sich ca. 79 % in der Nordsee, 9 % in der Ostsee und 12 % in der Irischen See befinden. Das Bild 11.1 zeigt einerseits die kumulierte Leistung und anderseits den jährlichen Zubau für die Offshore-Windenergie in Europa. -
Backmatter
- Titel
- Einführung in die Windenergietechnik
- Herausgegeben von
-
Alois Schaffarczyk
- Copyright-Jahr
- 2022
- Verlag
- Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
- Electronic ISBN
- 978-3-446-47322-5
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-446-47322-5
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