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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung
Bild 1-1 lässt das schnelle Wachstum von in Serie hergestellten Windkraftanlagen in Durchmesser und Leistung erkennen. Betrug 1983 der Durchmesser der typischen Anlage 15 m und die Leistung des Generators 55 kW, stehen im Jahr 2005 Anlagen mit D = 90 m und P = 2.500 kW als ausgereifte Serienmaschinen zur Verfügung. Prototypen mit einem Durchmesser von 125 m und einer Leistung von 5.000 kW laufen zur Probe. Die Verfügbarkeit der Anlage beträgt 97 % und mehr. Kurz: eine ausgereifte Technik mit einem enormen Größenwachstum wurde innerhalb eines kurzen Zeitraumes entwickelt und findet ihren Einsatz.
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

2. Aus der Geschichte der Windräder

Zusammenfassung
Die ersten Maschinen zur Nutzung der Windenergie wurden nach Meinung der Historiker im Orient eingesetzt. Hammurabi soll schon 1700 v. Chr. mit Windrädern die Ebenen Mesopotamiens bewässert haben [1]. Eine recht frühe Nutzung der Windkraft in Afghanistan ist urkundlich belegt: Schriften des 7. Jh. n. Chr. bekunden, dass dort der Beruf des Mühlenbauers hohes Ansehen genoss [1]. Noch heute kann man im Iran und in Afghanistan Ruinen dieser seit Jahrhunderten betriebenen Windmühlen sehen (Bild 2-1).
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

3. Konstruktiver Aufbau von Windkraftanlagen

Zusammenfassung
Windkraftanlagen sind Energiewandler. Unabhängig von Anwendung, Bauform oder konstruktivem Aufbau ist allen Windkraftanlagen die Wandlung der kinetischen Energie der bewegten Luftmasse in mechanische Rotationsenergie gemeinsam. Wie bereits in Kapitel 2 dargestellt, können hierbei zwei unterschiedliche aerodynamische Prinzipien, Auftrieb oder Widerstand, genutzt werden, s. Bild 3-1. Widerstandsläufer haben, wie gezeigt, bescheidene Wirkungsgrade und spielen für heutige technische Anwendungen keine Rolle, außer für Anemometer. In der Gruppe der Auftriebsläufer ist das vorrangigste Unterscheidungsmerkmal die Ausrichtung der Rotorwelle. Anlagen mit vertikaler Achse haben zwar den Vorteil, dass sie keine Windrichtungsnachführung benötigen, konnten sich für größere Anlagen aber dennoch aufgrund anderer Nachteile (unruhige Dynamik, schwacher Wind in Bodennähe) nirgends durchsetzen. Die Vertikalachser sind aus historischen Gründen in Kapitel 2 dargestellt, sie werden hier nicht weiter behandelt. Der interessierte Leser wird auf Kapitel 13 der vorhergehenden dritten Auflage dieses Buches verwiesen. Wir werden uns in den weiteren Ausführungen ausschließlich mit den Horizontalachs-Windkraftanlagen befassen. Bild 3-1 fasst Merkmale von Windkraftanlagen in einer Typologie zusammen. Bauformen und konstruktiver Aufbau werden stark von der jeweiligen Anwendung geprägt. Wir können unterscheiden:
  • Direkter mechanischer Einsatz: Antrieb von Mahl-, Säge-, Hammer- oder Presswerken
  • Wandlung in hydraulische Energie: Wasserpumpen
  • Wandlung in thermische Energie: Heizung und Kühlung
  • Wandlung in elektrische Energie: Einspeisung in elektrische Netze, netzunabhängiger Betrieb mit Batteriespeicher oder Aufbau eigenständiger Netze z. B. mit Diesel-Stand-by oder Photovoltaik
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

4. Der Wind

Zusammenfassung
Die Erdatmosphäre kann als Wärmekraftmaschine betrachtet werden, in der Luftmassen infolge thermisch bedingter Potentialunterschiede transportiert werden. Der Energielieferant für diese Wärmekraftmaschine ist die Sonne. Wasser ist hierbei der wichtigste Energieträger, da es sowohl als Dampf wie auch in Tröpfchenform und als Kristalleis in der Atmosphäre vorkommt, und damit maßgeblich durch seine Latentwärme beim Übergang von einer Phase in die andere das Wettergeschehen beeinflusst. Infolge der Kugelform der Erde nimmt die Gesamteinstrahlung der Sonne nach den Polen hin ab. Demzufolge besteht im Äquatorbereich ein Energieüberschuss in der Atmosphäre und in den Polbereichen ein Defizit. Zum Ausgleich wird Wärme durch die Luftmassen der Erde vom Äquator in den südlichen bzw. nördlichen Teil der Hemisphäre transportiert. Dies geschieht durch den Luftmassenaustausch der Globalen Windsysteme.
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

5. Auslegung von Windturbinen nach Betz und Schmitz

Zusammenfassung
Mit Hilfe der Betzschen oder Schmitzschen Theorie [1,2] lässt sich ohne großen Aufwand eine Windturbine dimensionieren. Diese Theorien liefern die Flügeltiefe und den Einbauwinkel des Flügels in Abhängigkeit vom Radius, wenn die Auslegungsschnelllaufzahl, das aerodynamische Profil und der Anstellwinkel bzw. der Auftriebsbeiwert gewählt wurden.
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

6. Kennfeldberechnung und Teillastverhalten

Zusammenfassung
Die Berechnung der Kräfte und Strömungsgeschwindigkeiten an Rotorblättern ist für andere Schnelllaufzahlen als die Auslegungsschnelllaufzahl mit einem hohem Aufwand verbunden. Hier wird nun ein Verfahren beschrieben, das noch relativ leicht nachzuvollziehen ist: die Blattelementmethode.
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

7. Modellgesetze und Ähnlichkeitsregeln

Zusammenfassung
Windturbinen haben ein großes Anwendungsgebiet mit sehr unterschiedlichen Leistungsanforderungen. Wenn man einmal bei der Stromversorgung bleibt, erfordert die Versorgung eines kleinen Ferienhauses mit elektrischer Energie eine Leistung von etwa 1,5 – 2 kW, ein mittelgroßer Gasthofsbetrieb etwa 75 kW bei einer Grundlast von ungefähr 15 – 25 kW und ein größerer Bauernhof etwa 50 – 100 kW. Im ersten Fall kommt man bei einer Nennwindgeschwindigkeit von v = 9 m/s mit einer Anlage von etwa 3,5 m Rotordurchmesser aus. Für die Grundlast des Gasthofes würde man etwa 7 – 8 m Rotordurchmesser benötigen, während für 50 – 100 kW schon Anlagen von 15 – 20 m Durchmesser benötigt würden. Großanlagen mit 80 – 100 m Durchmesser können bis zu 3 Megawatt Leistung liefern!
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8. Strukturdynamik

Zusammenfassung
Windturbinen mit der auf einem schlanken elastischen Mast aufgestielten Gondelmasse sind schwingungsfreudige Gebilde, die heftig durch die variierenden Lasten aus Wind, Wellen, Erdbeben, Drehung des Rotors, Schalt- und Regelungsvorgängen angeregt werden. Das Schwingungsverhalten hat großen Einfluss auf die Verformungen, inneren Beanspruchungen und die daraus resultierende Tragfähigkeit, Betriebsfestigkeit und Lebensdauer der Anlage.
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9. Richtlinien und Nachweisverfahren

Zusammenfassung
Allgemein versteht man unter Zertifizierung die Überprüfung von gesamten Unternehmen, Betriebsabläufen oder Produkten auf die Erfüllung von bestimmten Kriterien hin. In der Windenergiebranche ist die Zertifizierung der Produkte und Hersteller inzwischen Standard. Die Zertifizierung (der Konformität) ist eine Maßnahme durch unabhängige Institutionen (oder Personen), die dokumentiert, dass ein Erzeugnis, Verfahren oder eine Dienstleistung in Übereinstimmung mit einer bestimmten Norm oder einem bestimmten anderen normativen Dokument ist. (EN 45011, EN 45012 und EN 45013).
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10. Windpumpsysteme

Zusammenfassung
Auch wenn heutzutage Windmühlen zur Wasserförderung nicht mehr den Stellenwert besitzen, den sie in den vergangenen Jahrhunderten hatten, erscheint die Besprechung dieses Anwendungsfalles in einem Handbuch für den Entwicklungs- und planenden Ingenieur sowie für Studierende aus verschiedenen Gründen hilfreich. Denn eine Windmühle für die Wasserförderung ist ein Energiesystem, an welchem das Zusammenwirken der Systemkomponenten — vom Windenergiekonverter über die Wasserquelle bis hin zu den Systemteilen der Nutzung — besonders anschaulich studiert werden kann. Dies ermöglicht unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Komponenten, der jeweiligen spezifischen Betriebseigenschaften und Kennlinienverläufe eine optimale Konfiguration des Gesamtsystems.
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11. Windkraftanlagen zur Stromerzeugung — Grundlagen

Zusammenfassung
Windkraftanlagen werden heute vor allem zur Stromerzeugung eingesetzt. Dabei werden fast nur noch Drehstromgeneratoren benutzt. Selbst dort, wo letztlich Gleichstrom benötigt wird, hat die billigere Drehstrommaschine mit Gleichrichter den Gleichstromgenerator verdrängt.
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12. Steuerung, Regelung und Betriebsführung von Windkraftanlagen

Zusammenfassung
Die Westernmill war die erste Windkraftanlage, die ohne menschliche Betreuung auskam. Bei ihr sind allerdings die Aufgaben von Steuerung, Regelung und Betriebsführung noch völlig miteinander verwoben. Zwar stellt die Hauptfahne, die den Rotor in Windrichtung nachführt, ein einfaches Regelsystem dar: sie ist gleichzeitig Sensor, der die Abweichung der Windrichtung von der Rotorachse wahrnimmt — und Aktor, der die Kräfte aufbringt, um diese Abweichung zum Sollwert hin zu korrigieren, Bild 12-0.
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13. Anlagenkonzepte

Zusammenfassung
Je nach Art des Einsatzes der Windkraftanlagen zur Stromerzeugung lassen sich
netzeinspeisende Anlagen,
 
Anlagen für den Inselbetrieb und
 
Anlagen für den Verbundbetrieb, z.B.
 
Wind-Dieselanlagen oder Wind-Photovoltaik-Anlagen unterscheiden.
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14. Betrieb von Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz

Zusammenfassung
Der Betrieb von Windkraftanlagen im elektrischen Verbundnetz stellt einerseits Anforderungen an die technische Ausstattung der Windkraftanlage für deren Anschluss ans Netz sowie die Betriebsweise der Windkraftanlage und hat andererseits Auswirkungen auf den Betrieb des elektrischen Verbundnetzes. Waren diese Auswirkungen noch vor einigen Jahren vernachlässigbar, weil die installierte Windleistung im Vergleich zu der vorhandenen Netzkapazität sehr gering war, so ist mittlerweile, zumindest in Deutschland, die Netzintegration der Windenergie zu einer technisch und wirtschaftlichen Herausforderung geworden. Das folgende Kapitel stellt diese Herausforderung zunächst aus Sicht des Verbundnetzes dar und beleuchtet dann die Schnittstelle zwischen Netz und Windkraftanlage um abschließend die verschiedenen in den vorhergehenden Kapiteln ausführlich behandelten Windkraftanlagenkonzepte hinsichtlich ihrer Netzverträglichkeit zu analysieren.
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

15. Planung, Betrieb und Wirtschaftlichkeit von Windkraftanlagen

Zusammenfassung
Die Darstellung in diesem Kapitel orientiert sich an dem zeitlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsphasen eines Windkraftprojektes — Planung, Projektierung sowie Bau und Betrieb. Jede Phase gliedert sich weiter in folgende Gesichtspunkte:
  • technische Aspekte
  • genehmigungsrechtliche Aspekte
  • wirtschaftliche Aspekte.
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16. Offshore-Windparks

Zusammenfassung
Einschränkungen bei der Flächennutzung lassen in Gebieten mir hoher Bevölkerungsdichte den weiteren Ausbau der Windenergie an Land ins Stocken geraten. Offshore sind demgegenüber enorme Windressourcen vorhanden, die sowohl ein großes Raumangebot als auch hohe Windgeschwindigkeiten miteinander verbinden. Bereits in einer Studie aus dem Jahr 1995 wurde gezeigt, dass theoretisch die europäischen Offshore-Windressourcen den Gesamtverbrauch an Elektrizität in Europa übersteigen (Bild 16-1).
Robert Gasch, Jochen Twele, P. Bade, W. Conrad, C. Heilmann, K. Kaiser, R. Kortenkamp, M. Kühn, W. Langreder, J. Liersch, J. Maurer, A. Reuter, M. Schubert, B. Sundermann, A. Stoffel, Robert Gasch, Jochen Twele

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