Table Of ContentWindkraftanlagen
4. Auflage
Erich Hau
Windkraftanlagen
Grundlagen, Technik, Einsatz,
Wirtschaftlichkeit
4., vollständig neu bearbeitete Auflage
123
Dipl.-Ing.ErichHau
Frühlingstraße21
82152Krailling
ISBN 978-3-540-72150-5 e-ISBN 978-3-540-72151-2
DOI 10.1007/978-3-540-72151-2
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GedrucktaufsäurefreiemPapier
987654321
springer.com
Vorwort zur vierten Auflage
HeuteistesfastnichtmehrnötigfürdieNutzungderWindenergiezuwerben.DieStromer-
zeugung aus Windenergiehat bereitsineinigen Ländern ihrenfestenPlatz inderEner-
gieversorgung und ist im Begriff in fast alle Regionen der Welt vorzudringen. Die dort
entstehenden Kapazitäten werden in wenigen Jahren die Windkraftnutzung in den eu-
ropäischen Ländern übertreffen. Damit wird auch Deutschland, das über mehr als ein
JahrzehnteineführendeStellungeingenommenhat,vondiesemPlatzverdrängtwerden,
wenngleich auch hierzulande mit der Erschließung des Offshore-Windenergiepotentials
nocheinneuesKapitelderWindenergienutzungaufgeschlagenwird.
WelcheMotivetreibendieseEntwicklungan?EssindnichtmehralleindieAnstren-
gungendenKlimawandelzubegrenzenunddiezuEndegehendenfossilenBrennstoffezu
schonen. Zunehmend rückenauchnüchterne wirtschaftliche Überlegungen indenVor-
dergrund.SteigendeKostenfürEnergieundimmerschärfereUmweltauflagenfürdieVer-
brennungvonfossilenBrennstoffenführenunweigerlichzustetigsteigendenStromerzeu-
gungskosten.DiebrennstoffunabhängigenunddamitlangfristigkalkulierbarenKostender
StromerzeugungausWindenergiewerdenauchfürdiegrossenStromerzeugerattraktiv–
auchohnestaatlichgarantierteEinspeisevergütungen.
Die Energieversorgungsunternehmen investieren deshalb zunehmend in die Wind-
energie.KomplementärdazuversuchendiegroßenIndustrieunternehmen,dietraditionell
imKraftwerkbautätigsind,indasGeschäftmitderWindenergieeinzusteigen.Aberauch
diePioniereunterdenWindkraftanlagenherstellernhabensichvonbescheidenenAnfän-
genzugroßenUnternehmenmittausendenvonBeschäftigtenentwickelt.DieWindener-
gienutzung steht damit vor einem Strukturwandel der auch dazu führt, dass sie immer
kommerzieller–aberauchprofessionellerwird.
DietechnischeEntwicklungderheutigenWindkraftanlagenistdurchdieEvolutionder
bewährtentechnischenKonzeptiongekennzeichnet.AlternativenzumHorizontalachsen-
rotormitdreiRotorblättern habensichbisheutenichtdurchsetzenkönnen.Nebendem
beeindruckenden Grössenwachstum der Anlagen in den letzten Jahren wurden in eini-
gen technologischen Bereichen bedeutsame Fortschritte erzielt. Mit einer konsequenten
Optimierung der Rotoraerodynamik konnte die Effizienz einiger neuerer Anlagentypen
deutlichverbessertwerden.IndemBestrebennachmechanischerVereinfachungundVer-
ringerungderReparaturanfälligkeittretengetriebeloseKonzeptionennochstärkerinden
Vordergrund.
AufderanderenSeitesindabernochlangenichtalleZuverlässigkeits-undStandfestig-
keitsproblemederheutigenAnlagengelöst.DieForderung,dassallewesentlichenKompo-
VI
nenteneinerWindkraftanlageeinewirtschaftlichkalkulierteLebensdauervonmindestens
zwanzigJahrenerreichenmüssen,istunverzichtbar.DasbetrifftinersterLiniedieVerbes-
serung der technischen Auslegungsgrundlagen für einige kritische Komponenten, aber
auch die Wartungs- und Instandsetzungsstrategien. Dieser Aufgabe kommt, unterstützt
durcheine moderne Fehlerdiagnose, bei der rasant wachsenden Zahl der Windkraftan-
lagenundihrerweltweitenVerbreitungeinezentraleBedeutungzu.Ohneeinendeutlich
verbessertenStandard aufdiesemGebiet,istdieOffshore-AufstellungvonWindkraftan-
lageningroßemStilwirtschaftlichnichtzuvertreten.
DieskizziertenEntwicklungen undPerspektivenvorAugen,habeichdenInhaltder
viertenAuflagediesesBuchesaktualisiertunderweitert.DazuerschienesmirdiesesMal
aucherforderlichdieDarstellungdertechnischenGrundlagenzuüberarbeitenunddurch
neueAspektezuergänzen.DarüberhinauswurdeneinigeneueThemenmitaufgenommen
undandereausführlicher behandelt.AuchwennderGrundaufbau desBuchesbeibehal-
ten wurde,sind dieKapitelteilweise neustrukturiert, und andere Schwerpunkte gesetzt
worden.DieheuteaktuellentechnischenLösungenwurdenstärkerherausgearbeitetund
vondenhistorischenEntwicklungen abgesetzt. Insgesamt gesehenhabeichversuchtdie
neuerenEntwicklungenundProblemstellungen,soweitesmirmöglichwar,aufzugreifen
umdasThemaWindkraftanlageundihrUmfeldaufdemaktuellenStandderWindener-
gietechnikzubehandeln.
BeiderArbeitandieserAuflagehabenmichwiedereinigePersonenbesondersunter-
stützt,denenichzuDankverpflichtetbin.FrauTanja Rüthhat,wiefürallevorangegan-
genenAuflagen,dieSkizzenundDiagrammeerstellt.HerrDiplom-IngenieurFelixNelles
hatmitmirmehralsanderthalbJahreanderGestaltungdergeändertenundneuenTexte
gearbeitet, undauchinhaltliche Beiträge,unteranderemzumThemaWindkraftnutzung
und CO -Emmissionen geliefert. Nicht zuletzt gilt mein Dank dem Springer-Verlag für
seineBereitschaftdaserweiterteBuchmitbeträchtlichemAufwandneuzuverlegen.
München,imApril ErichHau
Aus dem Vorwort
zur ersten Auflage
EinenKommentarzurEnergie-undUmweltkrisemöchteichdenLesernundmirerspa-
ren.ZudiesemThemaistschonsovielausberufenerenFederngeflossen, daßmirdazu
keineneuenodergarbessereArgumenteeinfallen.StattdessenstelleicheinigedemLeser
dienlicheHinweisezumGebrauchdiesesBuchesvoran.
DasBuchträgtdenTitel,,Windkraftanlagen“. DiesermitBedachtgewählteTitelsoll
ausdrücken,daßdietechnischenAnlagen,bessersolltemanvielleichtsagen:dieMaschi-
nen,zurWandlungderWindenergieinelektrischeEnergiedenGegenstanddiesesBuches
bilden.
UnterdemBegriff,,Windkraftanlage“sindindiesemZusammenhangindustriellent-
wickelteundgefertigteMaschinenzuverstehen,diedazubestimmtsind,elektrischeEner-
gievonallgemeinerVerwendbarkeitzuliefern.WerindiesemBuchBastelanleitungenzum
SelbstbauvonWindrädernsucht–sointeressantdiesesHobbyauchist–,wirdenttäuscht
werden.AnwenalsorichtetsichdiesesBuch?EswendetsichinersterLinieanPersonen,
diesichmitderForschung,derEntwicklung,demBauunddemBetriebvonWindkraft-
anlagen beruflich zu befassen haben. Sei es, weil sie Entscheidungen auf diesem Gebiet
treffenmüssen,seies,weilsieihreeigenefachbezogeneTätigkeitineinemübergreifenden
Zusammenhangeinordnenwollen.
Meine Absicht ist es, mit diesem Buch einen Überblick über die Technik moderner
Windkraftanlagen zu schaffen und die Orientierung in den damit verbundenen techni-
schenundwirtschaftlichenProblemenzuerleichtern.Nachfastzwanzigjähriger,weltwei-
terForschungs-undEntwicklungsarbeitaufdiesemGebietundeinerbereitsbeachtlichen
AnwendungsbreitevonWindkraftanlagenineinigenLändernscheinenmirdieVorausset-
zungenfürdiesenVersuchgegebenzusein.
DiesemerklärtenZieldienendieinhaltlicheGliederungunddieArtderDarstellung.
Ichhabeversucht,dieProblemeundtechnischenLösungswegephänomenologischzuana-
lysierenundzubeschreiben.Formelnhabeichsoweitwiemöglichvermieden.Nuranden
Stellen,womirdiemathematischenLösungsansätzefürdasVerständnisnützlicherschie-
nen,sindsieangedeutet.
DetaillierteRechenanleitungensinddeshalbindiesemBuchnichtenthalten.Stattdes-
senhabeichamSchlußeinesjedenKapitelsausgewählte Literaturstellen angegeben, die
den Einstieg in die rechnerische Behandlung der beschriebenen Problemkreise ermög-
lichen. Mir erschien diese Darstellungsform angesichts des angestrebten Zieles am be-
VIII
sten geeignet zu sein. Wer Entscheidungen zu treffen oder die Zielrichtung technisch-
wissenschaftlicher Arbeiten zu verantworten hat, kann sich im allgemeinen nicht selbst
andenComputersetzen.AberermußdenStandderTechniküberblicken,dieProbleme
verstehenundEntwicklungslinieneinschätzenkönnen.
DieKapitellassensich–sofernmananderbehandeltenProblemstellungnichtimDe-
tailinteressiertist–biszueinemgewissenGrade,,querlesen“oderüberschlagen,ohnedaß
der Gesamtzusammenhang oder das Verständnis für das nächste Kapitel verloren geht.
Wer das Buch jedoch als Arbeitsunterlage benutzt und ein Kapitel durcharbeitet, wird
schnellfeststellen,daßsichhinterdenDiagrammeneineMengeTheorieverbirgt,dieim
Textnichtunmittelbarsichtbarwird.
WichtigerschienmirangesichtsdesangestrebtenZielesauchdieVollständigkeitund
Gleichgewichtigkeit des Inhaltes. Bücher, die in aller Ausführlichkeit auf die aerodyna-
mischeBerechnungdesRotorseingehen,aberdaselektrischeSystemoderdieAuslegung
desTurmeseinerWindkraftanlage mitwenigenSätzenabhandeln, mögenfürdenAero-
dynamiker vonNutzensein,fürjemand,derdasSystem,,Windkraftanlage“ ganzheitlich
beurteilen muß, ist der Wert jedoch sehr eingeschränkt. Ich bin mir allerdings darüber
imKlaren,daßderVersucheinerumfassendenDarstellungderTechnikmodernerWind-
kraftanlagennurimAnsatzgelungenseinkann.
EinBuch, daseine Reiheverschiedener Fachdisziplinen berührt,schreibtman nicht
ohnefremdeHilfe.IchhabedeshalbeinerReihevonPersonenzudanken, diemirdabei
geholfen haben. Ohne ihre bereitwillige und sachkundige Mithilfe wäre das Buch nicht
entstanden.
In erster Linie bin ich meinen ehemaligen Arbeitskollegen von der Firma MAN zu
großem Dank verpflichtet. Vor allem mein langjähriger Freund und Arbeitskollege Ge-
raldHuß,derinunsererAbteilungfürdasGebiet,,Aerodynamik“verantwortlichwar,hat
nichtnurzahlreichefachlicheBeiträgegeliefert,sondernhatmitmirdiemitdemBuchzu-
sammenhängendenFragendiskutiertundmichdabeioftaufdenrichtigenWeggebracht.
IndiesemZusammenhang möchteichaucherwähnen,daßderInhaltdiesesBuchessich
weitgehend auf Ergebnisse aus Forschungs- und Entwicklungsprojekten stützt, die vom
BundesministeriumfürForschungundTechnologiesowievonderKommissionderEuro-
päischenGemeinschaftgefördertwurden.
AuchdemSpringer-VerlagseiandieserStellefürseineBereitschaftgedankt,dasBuch
zuverlegenundesindieseransprechendenFormzugestalten.
München,imJuli ErichHau
Inhaltsverzeichnis
Symbolverzeichnis XXI
WindmühlenundWindräder
. ÜberdieUrsprüngederWindmühlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. EuropäischeWindmühlentypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. WirtschaftlicheBedeutungderWindmühlen . . . . . . . . . . . . . . . . .
. WissenschaftundtechnischeEntwicklungimWindmühlenbau . . . . . .
. DieamerikanischeWindturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
StromausWind–DieerstenVersuche
. PoulLaCour–EinPionierinDänemark . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Windkraftwerke–GroßePläneinDeutschland . . . . . . . . . . . . . . . .
. kWausdemWind–DieersteGroßanlageindenUSA . . . . . . . .
. WindkraftanlagenindenerJahren–VorderEnergiekrise . . . . . . . .
. NachderEnergiekrise–AufbruchindiemoderneWindenergienutzung .
. DiegroßenVersuchsanlagendererJahre . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. DerersteErfolgderkleinenWindkraftanlageninDänemark . . . . . . . .
. DieamerikanischenWindfarmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BauformenvonWindkraftanlagen
. RotorenmitvertikalerDrehachse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Horizontalachsen-Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Windenergie-Konzentratoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. BegriffeundBezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
PhysikalischeGrundlagenderWindenergiewandlung
. DieelementareImpulstheorienachBetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Widerstands-undauftriebsnutzendeWindenergiewandler . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
X INHALTSVERZEICHNIS
AerodynamikdesRotors
. Physikalisch-mathematischeModelleundBerechnungsverfahren . . . . .
.. Blattelementtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. WirbelmodellderRotorströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. NumerischeStrömungssimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Rotornachlaufströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. LeistungscharakteristikdesRotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Rotorleistungskennfeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. LeistungscharakteristikenverschiedenerRotorbauarten . . . . . .
. AerodynamischeLeistungsregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Blatteinstellwinkelregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. LeistungsbegrenzungdurchStrömungsablösung(Stall). . . . . . .
.. AktiveSteuerungderStrömungsablösung . . . . . . . . . . . . . .
.. InstationäreEffekteundGrenzschichtbeeinflussung . . . . . . . .
.. AusdemWinddrehen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. DasaerodynamischeProfil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. CharakteristischeEigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. ProfilgeometrieundSystematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Laminarprofile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. EinflußaufdenRotorleistungsbeiwert. . . . . . . . . . . . . . . . .
. KonzeptionelleRotormerkmaleundLeistungscharakteristik . . . . . . . .
.. AnzahlderRotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. OptimaleFormdesBlattumrisses . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. VerwindungderRotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Blattdicke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Auslegungsschnellaufzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. AusgeführteRotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. WindrichtungsnachführungdesRotors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. AerodynamikderVertikalachsen-Rotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. ExperimentelleRotoraerodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. ModellmessungenimWindkanal . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. MessungenanOriginalanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
BelastungenundStrukturbeanspruchungen
. BelastungsartenundihreWirkungaufdieWindkraftanlage . . . . . . . . .
. KoordinatensystemeundBezeichnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. UrsachenderBelastungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Eigengewicht,Zentrifugal-undKreiselkräfte . . . . . . . . . . . . .
.. Gleichförmige,stationäreRotoranströmung . . . . . . . . . . . . .
.. HöhenprofilderWindgeschwindigkeit . . . . . . . . . . . . . . . .
.. SchräganströmungdesRotors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Turmumströmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. WindturbulenzundBöen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Lastannahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
INHALTSVERZEICHNIS XI
.. InternationaleundnationaleNormen . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. KlassifizierungderWindkraftanlagenundWindzonen . . . . . . .
.. NormaleWindbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. ExtremeWindbedingungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. AndereUmwelteinflüsse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. SonstigeexterneBedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Sicherheitsfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. MaschinenstatusundLastfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. NormalerBetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. TechnischeStörungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. BeanspruchsartenundStrukturdimensionierung . . . . . . . . . . . . . . .
. Ermüdungsfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Lastkollektive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. MathematischeModelleundBerechnungsverfahren . . . . . . . .
. KonzeptmerkmaleundStrukturbeanspruchungen . . . . . . . . . . . . . .
.. AnzahlderRotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. RotornabengelenkebeimZweiblattrotor . . . . . . . . . . . . . . .
.. SteifigkeitderRotorblätter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Regelungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. DrehzahlelastizitätunddrehzahlvariableBetriebsweise . . . . . . .
. MeßtechnischeErfassungderStrukturbeanspruchungen . . . . . . . . . .
.. PrüfstandversuchemitRotorblättern . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. DatenerfassungssystemeundMessungenanOriginalanlagen . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Rotorblätter
. Materialfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Vorbild:Flugzeugtragflügel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. FrühereexperimentelleBauweisenvonRotorblättern . . . . . . . . . . . .
.. GenieteteAluminiumkonstruktionen . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Stahlbauweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. TraditionelleHolzbauweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. ÄltereFaserverbundbauweisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Holz-Epoxid-Verbundbauweise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. ModerneRotorblätterinFaserverbundtechnik . . . . . . . . . . . . . . . .
.. Faserverbund-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.. KonstruktiveAuslegungderRotorblätter . . . . . . . . . . . . . . .
.. Fertigungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. BlattanschlußzurRotornabe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. RotorblattbauweisenimVergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. AerodynamischeBremsklappen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Blitzschutz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. Enteisung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
