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Windkraftanlagen 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 BibliografischeInformationderDeutschenNationalbibliothek DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnetdiesePublikationinderDeutschenNationalbibliografie; detailliertebibliografischeDatensindimInternetüberhttp://dnb.d-nb.deabrufbar. ©2008,2003,1996Springer-VerlagBerlinHeidelberg DiesesWerkisturheberrechtlichgeschützt.DiedadurchbegründetenRechte,insbesonderediederÜbersetzung, desNachdrucks,desVortrags,derEntnahmevonAbbildungenundTabellen,derFunksendung,derMikroverfil- mungoderderVervielfältigungaufanderenWegenundderSpeicherunginDatenverarbeitungsanlagen,bleiben, auchbeinurauszugsweiserVerwertung,vorbehalten.EineVervielfältigungdiesesWerkesodervonTeilendie- sesWerkesistauchimEinzelfallnurindenGrenzendergesetzlichenBestimmungendesUrheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlichvergütungspflichtig.ZuwiderhandlungenunterliegendenStrafbestimmungendesUrheberrechts- gesetzes. DieWiedergabevonGebrauchsnamen,Handelsnamen,Warenbezeichnungen usw.indiesemBuchberechtigt auchohnebesondereKennzeichnungnichtzuderAnnahme,dasssolcheNamenimSinnederWarenzeichen- undMarkenschutz-Gesetzgebungalsfreizubetrachtenwärenunddahervonjedermannbenutztwerdendürften. SollteindiesemWerkdirektoderindirektaufGesetze,VorschriftenoderRichtlinien(z.B.DIN,VDI,VDE) Bezug genommen oderaus ihnen zitiert worden sein, sokann derVerlagkeine Gewähr fürdie Richtigkeit, Vollständigkeit oder Aktualität übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigenVorschriftenoderRichtlinieninderjeweilsgültigenFassunghinzuzuziehen. SatzundHerstellung:le-texpublishingservicesoHG,Leipzig Einbandgestaltung:WMXDesign,Heidelberg 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 . . . . . . . .  . WindkraftanlagenindenerJahren–VorderEnergiekrise . . . . . . . .  . NachderEnergiekrise–AufbruchindiemoderneWindenergienutzung .  . DiegroßenVersuchsanlagendererJahre . . . . . . . . . . . . . . . . . .  . 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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 