Table Of ContentRheinisch-Westfälische Akademie
Natur-, Ingenieur-und Wirtschaftswisse
Herausgegeben von der
Rheinisch-Westfälischen Akademie der
ULRICH HüTTER
Moderne Windturbinen
RUDOLF SCHULTEN
Kernenergietechnik heute
Westdeutscher Verlag
265. Sitzung am 6. Dezember 1978 in Düsseldorf
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Hütter, Ulrich:
Modeme Windturbinen I UIrich Hütter. Kernenergietechnik heute I
Rudol! Schulten. - Opladen: Westdeutscher Verlag, 1979.
(Vorträge I Rheinisch-Westfälische Akademie der Wissenschaften;
Natur-, Ingenieur-u. Wirtschaftswiss. ; N 289)
NE: Schulten, Rudol!: Kemenergietechnik heute
© 1979 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag GmbH
ISSN 0066-5754
ISBN-13: 978-3-531-08289-9 e-ISBN-13: 978-3-322-90072-2
DOI: 10.1007/978-3-322-90072-2
Inhalt
Ulrich Hiitter, Stuttgart
Moderne Windturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Modernität mit Wurzeln ................................... 7
Wind-Energiepotential in Raum und Zeit ..................... 8
Schnellauf, eine aerodynamische Qualität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Rotorblatt-Auslegebeziehungen ............................. 14
Varianz des Windenergie-Dargebots ......................... 16
Gruppenverbund und Auslastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Rotorflächenleistung und Dargebotsgüte ...................... 20
Summary - Resume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Abbildungen .............................................. 23
Diskussionsbeiträge
Professor Dr. med. Ludwig E. Feinendegen; Professor Dr. techno
Ulrich Hiitter; Professor Dr. rer. nato Rudolf Schulten; Professor
Dr. phil. nato Hermann Flohn; Hans Ulrich Frhr. von Wangenheim;
Professor Dr. rer. nato Johann SchwartzkopfJ; Professor Dr.-Ing.
Helmut Domke; Professor Dr.-Ing. Karl Friedrich Knoche . . . . . . . 39
Rudolf Schulten, jülich
Kernenergietechnik heute .................................... 45
Einführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Langfristige Energieversorgung ............................. 46
Schwere Störfälle ......................................... 48
Uranvorräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
6 Inhalt
Mißbrauch von Spalts toffen 53
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Ablagerung von Spaltstoffen 54
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Kernenergie für die Gas-und Wärmeerzeugung 55
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Schlußfolgerungen 56
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Diskussionsbeiträge
Professor Dro rero nato Harald Schäfer; Professor Dr. rer. nato
Rudolf Schulten; Professor Dr. rer. nato Werner Schreyer; Professor
Dr. rer. nato Günther Wilke; Professor Dro rer. nato Rudolf-Wilhelm
Larenz; Hermann fosef Werhahn 57
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Moderne Windturbinen
von Ulrich Hütter, Stuttgart
Modernität mit Wurzeln
Die Technik der Nutzung von Windenergie ist eine der ältesten der
Welt. Bauten im Iran sowie in China tradierte Informationen lassen ver
muten, daß Windräder - damals auch mit vertikaler Achse - schon mehr
als zwei Jahrtausende vor dem Bekanntwerden der Windmühlen des vor
deren Orients für Wasserhaltung und zum Getreidemahlen verwendet
wurden.
Europa - durch erste Kreuzzüge belehrt - begann orientalische Segel
windmühlen mit ungefähr horizontaler Rotorachse seit dem frühen zwölften
Jahrhundert zu nutzen. Kreuzritter hatten im Heiligen Land deren Wert
und Bedeutung erfahren.
Solche Windmühlen - in den folgenden Jahrhunderten in den Nieder
landen, in Spanien und Ostpreußen fortentwickelt - erreichten schließlich
im achtzehnten Jahrhundert spezifische Schnellaufzahlen (Aw, RTR, Index
R TR für: rotor) zwischen zwei und drei bei Rotordurchmessern von 11 bis
24 Metern.
Als spezifischen Schnellauf hat in den zwanziger Jahren unseres Jahr
hunderts LUDWIG PRANDTL mit seiner Schule den Quotienten aus der Rotor
umfangsgeschwindigkeit (URTR = rTiP' WRTR) und der Geschwindigkeit des un
gestörten Zustromes (VFFL, Index FFL für: free flow), also:
Aw, RTR = URTR/VFFL definiert.
Bis ins letzte Drittel des neunzehnten Jahrhunderts hatten viele tausend
Windmühlen, vor allem in seeküstennahen Flachlandbereichen, fast alles
Getreide gemahlen und als automatische Schöpfwerke Wichtiges zur Wasser
haltung beigetragen, wie wir aus Urkunden, aus Literatur und aus Stichen
wie auch Gemälden wissen.
Nicht nur technischer Stand, sondern auch Okonomie und Weisheit der
Bedarfsanpassung der Windenergietechnik jener Epochen, legen die Frage
nahe, was eigentlich berechtigt, Maschinenentwürfe und Einsatzarten von
Windturbinen der zweiten Hälfte unseres Jahrhunderts als modern zu be
zeichnen.
8 Ulrich Hütter
Modem ist zweifellos die seit Mitte der fünfziger Jahre bedeutsam ge
wordene Technologie der Feinstfaser-Polymer-Matrix-Verbundwerkstoffe
("Composites"), welche das Realisieren von Turbinenrotoren mit bis dahin
bei freitragender Bauweise noch nie für möglich gehaltenen Schnellaufzahlen
(A.w• RTR) zu realiseren erlaubte, wobei die Massen pro Rotorblattlänge von
300 kg/m (Duralblatt 1942) auf weniger als 60 kg/m (GFK 1956 und
GFK/CFK 1977) reduziert werden konnten.
Dies hatte mehrere Gründe: Erstens wurde es möglich, ohne erdrückend
großen Aufwand - auch bei relativ kleinen Stückzahlen - die Rotorblätter
von Windturbinen wesentlich weniger eingeengt durch Fertigungszwänge
aerodynamisch optimal zu gestalten.
Zweitens konnten Gestaltungskonzepte entwickelt und verwirklicht wer
den, welche potentielle Schwingungsresonanzen zwischen Rotorsystem und
Turmsystem auszuschließen erlauben, für alle, durch mehrfach redundante
Regelungssysteme definierte, angestrebte und zugelassene Betriebszustände.
Dies erleichterten die günstigen Steifigkeits-/Dichte Koeffizienten (Eie) der
verfügbar gewordenen Verbundwerkstoffe.
Günstiges Anlaufverhalten, optimale Anpassung und Sturmsicherungs
regelung wurden schon seit Anfang der fünfziger Jahre erreicht. Dies war
möglich geworden durch stetiges, wenn erforderlich sehr schnelles Verstellen
der Einstellwinkel (ß) freitragender Rotorblätter zwischen Rotordrehebene
und der Anströmrichtungen im Betrieb auf angestrebte Sollwerte. Damit
konnten erforderliche Auftriebsbeiwerte (CL) an Rotorblättern bei sehr
kleinen Zugriffszeiten planmäßig vorgegeben werden.
Die solche Anstellwinkelsteuerung der Rotorblätter bewirkenden Rege
lungsmechanismen selbst wurden und werden sowohl bei allen neueren
Realisationen wie auch bei fast allen laufenden Projekten "failsafe" und
redundant gestaltet, dabei überdies von mehreren Eingangsparametern
beeinflußbar weitgehend rückwirkungsfrei geplant und ausgeführt.
Für Teilsysteme hat sich das Prinzip der Mehrfachnutzung notwendiger:
Strukturelemente, sowie die Nutzung des Erdschwerefeldes zu deren Ent
lastung gegenüber maximalen Luftkräften als zweckmäßig erwiesen. Zum
Beispiel: Nutzung von Teilen der Turmträger als Femwellen. Schrägtürme
zu deren Entlastung gegenüber dem Achsialschub durch ihre eigene Masse.
Wind-Energiepotential in Raum und Zeit
Seit der Verfügbarkeit elektronischer Großrechenanlagen laufen Unter
suchungen - bei feingeteilten Intervallgrößen - durch Analysen die Corre
lation der Windenergie-Darbietung über Zeit und Raum zu einer erwarteten
Moderne Windturbinen 9
Zeitstruktur des Verbrauchs so zu erfassen, daß tatsächlich erforderliche
Energieausgleichsmengen durch Variation inhärenter Parameter minimiert
werden können.
Daß die Güte der Dargebot/Bedarfsangleichung bei Windenergienutzung
durch solche Analyseverfahren erheblich verbessert werden kann, ist ein
drucksvoll zu erkennen.
Das Recherchieren der praktischen Verfügbarkeit von Windenergie -
global, also in Großräumen wie auch in definierten, geographisch kleineren
Räumen - ist ein spezieller Bereich der Forschung, für den eine immense
Datenfülle für alle Land- und Seeräume der Erde zur Verfügung stehen
kann, wenn weltweit registrierte und archivierte Informationsinhalte einmal
selektiert und adaptiert sein werden. Adaptionen sind vorderhand noch
erforderlich, weil Registrierverfahren, Meßzeitintervalle und einige wichtige
Definitionen noch uneinheitlich sind.
Trotz solcher Schwierigkeiten ließen globale Abschätzungen - bereits in
den zwanziger Jahren veröffentlicht - zumindest die maximale Größe der
Energieanteile mutmaßen, welche von der gesamten Solarstrahlung zum
Aufrechterhalten jener Absorptions-, Austausch- und Umsetzungsvorgänge
verfügbar und erforderlich sind, um die tatsächlich beobachtete, fortdauern
de Bewegung der atmosphärischen Luftkörper aufrecht zu erhalten. R.
SÜRING schätzte 1931 den in mechanische Bewegung der Atmosphäre um
gesetzten Teil der zugestrahlten Sonnenenergie mit ungefähr zwei Prozent
em.
Zu etwa gleichen Werten kommt man, wenn man von der erforderlichen
Reibungsleistung ausgeht, die aufgebracht werden muß, um die Atmosphäre
in Bewegung zu halten. Lauflängenbezogene Rauhigkeitswerte können aus
Geländeformen, Bewuchs und Bebauung auf festem Land, auf See aus den
mittleren Wellenhöhen, abgeschätzt werden. Somit war es möglich, Boden
reibungsbeiwerte (Cf,GND) anzugeben (Index GND: ground). Diese erwiesen
sich - bezogen auf Luftströmungen über festem Land - als um etwa eine
Zehnerpotenz größer als über offener See. über Definitionen der solchen
Reibungsbeiwerten zuzuordnenden Grenzschichtdicken und Luftdichten
existieren plausible Annahmen unter den mit solchen Problemen befaßten
Meteorologen.
Durch zahllose Messungen bekannt sind die Höhenabhängigkeiten lang
fristiger Mittelwerte von Windgeschwindigkeit und Luftdichte, und damit
sowohl die Größen mittlerer Energiedichte im ganzen Luftraum, als auch
die der Mittelwerte von kinetischer Energie der Atmosphäre global wie
regional hinreichend, um gegebene Umsetzmechanismen interpretieren zu
können.
10 UlridJ. Hütter
Erklärbar werden über solche Einsichten sowohl die Tatsache, daß auf
offener See die Mittelwene der Luftströmung im bodennahen Bereich höher
sind als über bebautem Land, als auch die, daß auf allen Kontinenten -
zumindest in nicht allzu küstenfernem Bereich - die Bodenwindstärken
landeinwärts abnehmen (Bilder 1 und 2). (Als Ausnahmen von diesem
Grobschema bekannt sind unter anderem der mittlere Westen in USA und
Gebiete im nördlichen Sibirien).
Windregistrierungen zeigen auch, daß auf Bergkuppen sowohl als Folge
der Acceleration durch Verdrängungsströmung als auch durch das Hinein
reichen einzelstehender Geländeerhebungen in die schnellere Höhenströ
mung - Bild 3 - zum Teil erheblich grössere Geschwindigkeitsmittelwerte
beobachtet werden als in weiträumigem Flachland.
In Argentinien, wie auch in Schweden, ergaben langfristige Beobachtungen
und gezielte Auswenungen, daß die Zunahme der Windgeschwindigkeits
mittelwene - und damit der Größe potentieller Energieerträge bei gegebenen
wirksamen Turbinenflächen - von einigen Kilometern landeinwärts bis zu
großen Distanzen von der Küstenlinie über dem Schelf beträchtlich sind
(Bilder 4 und 5). Damit können sich Energienutzungsmethoden ergeben,
wie sie mit anderer Zielsetzung für Olbohrinseln bereits erprobt sind. Zwar
wären hierzu wesentlich aufwendigere Fundierungen und um die Wasser
tiefe höhere Türme, ferner Seesignale zur Sicherung dieser Schiffahrtshin
dernisse und so weiter erforderlich, aber Mehrerträge an Energie um 200%
- Bild 5 - und darüber bei sonst gleicher Auslegung lassen solche Lösungen
attraktiv erscheinen, insbesondere für Länder, die bei großer Seeküsten
länge eine relativ geringe mittlere Bevölkerungsdichte aufweisen.
Schnellauf, eine aerodynamische Qualität
Hoher spezifischer Rotorschnellauf Äw, RTR, das aussichtsreichste Mittel,
Windturbinen als Maschinensysteme bei gleicher Querschnittsgröße der vom
Rotor erfassten Strömung kostengünstig zu gestalten, bestimmt natürlich
auch den Schnellauf jedes Rotorelementes nach Maßgabe der Radienver
hältnisse Aw, (rl = Äw, RTR . (r!rTIp), (Index TIP für: Flügelspitze). Bei gegebener
Rotorgröße sind die Winkelgeschwindigkeiten im Betrieb - und damit die
Drehzahlen - proportional der Schnellaufzahl Äw,RTR' Es gilt:
WRTR = VFFL • Aw, (r)!r = VFFL' Äw, RTR!rTIP' Das bedeutet, daß im Teillastbe
reich bei sinkender Windgeschwindigkeit VFFL der Rotor mit nur wenig redu
ziener, ja sogar bei konstant bleibender Drehzahl- nRTR - gefahren werden
kann, sofern seine "Wirksamkeitszahl" - der Leistungswen Cp,RTR - dabei
nur wenig abfällt.
