Windkraftanlagen

66000 MW installierte Leistung bei einem Bedarf von 574 Mrd. kWh 2022

An zweiter Stelle mit 17,4%

Der Ausbau wird stark steigen, um die gesetzten Klimaziele erreichen zu können

• •           Turm (Stahl+Beton)

• •           Rotorblätter(GFK o. CFK)

• •           Blattwinkelverstellung

• •           Not-Bremssystem

• •           Azimathdrehkranz(Windnachführung)-Getriebe

• •           Getriebe

• •           Generator

• •           Maschinenhaus

·         •           Rotorlage (vertikal/horizontal)

·         •           Prinzip der Leistungsumsetzung (Widerstands-/Auftriebsläufer)

·         •           Schnell- o. Langsamläufer

·         •           Leistung (klein, On-Shore, Off-Shore)

Der Betzfaktor liegt bei 16/27 und drückt die Prozentuale Menge an Energie aus, die dem Wind maximal entzogen und umgewandelt werden kann. 

·         •           Getriebeverluste

·         •           hydraulische Verluste

·         •           mechanische Verluste

·         •           Überströmverluste

·         •           Elektrische Verluste

     •           Widerstandsläufer:    cp<0,25 geringe Schnelllaufzahl

     •           Auftriebsläufer:                                 cp<0,45 hohe Schelllaufzahl

·         •           Umwandlung von Windströmungsenergie in mech. Energie

·         •           Umsetzung des schwankenden Energieangebots in ein gleichförmiges Drehmoment

·         •           Regelbarkeit der WKA

·         •           Geringe Geräuschbelastung

Für einen konstanten Anstellwinkel       muss das Rotorblatt verwunden sein oder das Rotorblatt wird unter Berücksichtigung von Drallverlusten ausgelegt

In Nabennähe sollte die Verdrehung am größten sein, ist sie aber auf Grund von Fertigungseinschränkungen meistens nicht, an der Spitze ist die Verdrehung am kleinsten

Für Anstellwinkel Alpha

mit      u(R): Umfangsgeschwindigkeit an der Spitze des Rotorblatts

                        c0:       Windgeschwindigkei

• •           beeinflusst Regelkonzept und Betriebsverhalten und dient zur Vorauslegung des Rotorblatts

• •           mit höherer Schnelllaufzahl verringert sich die Rotorblattverwindung

• •           höhere Schnelllaufzahl führt zu:

            - reduziertem Drehmoment

            - reduzierter Blatttiefe

            - reduziert sich die optimale Anzahl von Rotorblättern

            - sinkt Baumaß und Materialaufwand

            - erhöht sich die Geräuschentwicklung

            - erhöhte flächenbezogene Lasten—> hochfeste Materialien —> höhere Materialkosten

            - schmale Profile erschweren Regelung 

• •           Es werden typischerweise WKAs mit drei Rotorblättern gebaut.

• •           Theoretisch steigt die Leistungsbeiwert mit steigender Blattzahl

• •           in der Praxis kommt es bei hohen Blattzahlen zu gegenseitiger beeinflussung der Strömung

• •           bei geringer unsymmetrischer Zahl steigen die dynamischen Lasten 

• •           mit steigender Blattzahl, steigen auch die Baukosten

1. 1.         Festlegung der Nennleistung bei Nenngeschwindigkeit, Schnelllaufzahl und und Anzahl Rotorblätter

2. 2.         Auswahl Pr/ofil und Anstellwinkel 

3. 3.         Berechnung der Blattbreite für jeden Radius 

4. 4.         Berechnung des Blatteinstellwinkels: 

5. 5.         Berechnung der Leistung pro Blattelement und Integration

6. 6.         Berechnung des Rotorleistungsbeiwerts: cp,Motor

pitch: Anstellwinkel wird verringert, es reduziert die Auftriebskraft und die Leistung 

stall: Vergrößerung des Anstellwinkels, es kommt zum Strömungsabriss

Dienen zum regeln:

• •           kann bei hohen Windgeschwindigkeiten Überlastung des Generators verhindern

• •           wird zum stabilisieren der Rotordrehzahl genutzt

• •           verhindert überdrehen bei Netzausfall

Es wird überwiegend die Pitch-Regelung eingesetzt, da hier eine konstante Leistung abgerufen werden kann bei steigender Windgeschwindikeit

• •           Vortex-Generatoren: -längeres anliegen der Strömung 

                      - größere Anstellwinkel ohne stall möglich

• •           Stall-Strips: - früherer Stall um Nennleistung zu verringern

• •           Hinterkantenklappen: Regelung der Motorleistung

• •           Gezackte Hinterkante: weniger Geräusche

• •           Optimierung der Blattspitze

•           Drehzahl abhängig von Netzfrequenz (60hz in D/50hz in USA) und Polpaarzahl des Generators

Maximal 10%

• •           direkte Netzkupplung mit Synchron- und Asynchrongeneratoren

                        —> Generator muss auf Frequenz des Netzes laufen

• •           netzeinspeisung über Zwischenkreis, Wechselrichter und Leistungslektronik 

                        —> es ist ein Drehzahlvariabler Betrieb möglich

Welche Vorteile bietet die Drehzahlregelung?

• •           Dämpfung der Leistungsschwankung

• •           Reduktion der Strukturbelastung

• •           Schnelle, Stufenlose Anpassung des Betriebsverhaltens

• •           Container

• •           Warnbojen/Tonnen

• •           Leuchttürme

• •           An Berghütten

• •           Windturbine

• •           Gleichrichter

• •           Laderegler

• •           Batterie

• •           evtl. Wechselrichter für Hausstrom

• •           Heizwiderstand z.T. im Generator verbaut

• •           Schwungratspeicherung

• •           Batteriespeicher 

• •           Wasserstoff Herstellung über Elektrolyse

• •           Pumpspeicher

• •           Wasserspeicher im Turm 

• •           dänisches Konzept: gutes Teillastverhalten, schlechter Wirkungsgrad

• •           Doppelgespeister ASG und SG haben hohe Wirkungsgrade, SG benötigt große, vielpolige Generatoren, ASG beide benötigen mehr extra Stromrichter und Zwischenstronkreise

• •           Um eine Aussage über den möglichen Ertrag treffen zu können

• •           Um Sicher zustellen, dass sie den Windstärken widerstehen kann

• •           Ausgleich zwischen Hoch- und Tiefdruckgebieten

• •           See-Land-Wind

• •           Berg-Tal-Wind

• •           Fallwinde 

• •           Oberflächenrauigkeit

• •           Schichtungsart

• •           Hügel

• •           Wälder 

• •           Gebäude

• •           die Windgeschwindigkeit steigt mit der Höhe an

• •           Nie Nabenhöhe sollte deshalb so hoch wie möglich gewählt werden

• •           Beschreiben die Häufigkeitsverteilung verschiedener Windgeschwindigkeiten an einem Standort

• •           die Rayleigh-Verteilung wird genutzt wenn nur die mittlere Geschwindigkeit bekannt ist

• •           die Rayleigh-Verteilung entspricht der Weibull-Verteilung mit dem Faktor k=2 

• •           Wen ein Faktor von deutlich unterschiedlich von 2 vorherrscht, weichen die Ergebnisse sehr stark ab 

• •           Prognose über Windatlas

            - schnell und günstig, gut umsetzbar, jedoch nur bedingt genau, da viel mit Modellen             gearbeitet wird

• •           Windmessung

• - aufwendig, da über min 10 Jahre wenn einzeln, kann über ein Jahr als Zusatz für den Windatlas genutzt, weniger Aufwand, Kosten steigen je nach Messmethode, im allgemeinen aber im Rahmen, umsetzung bei kurzen Zeitraum gut, bei längerem Zeitraum schwieriger

• •           Mesoskalen Modelle

            - teuer und benötigt spezielle Software, genauer als Windatlas, immer noch relativ ungenau

• Überwiegend wird GFK (gute spez. Materialwerte und günstig) z.T. mit lokalen CFK-Verstärkungen verwendet.

• CFK MUSS für D_Rotor>120m als lokale Verstärkung/Versteifung verwendet werden

• Als Matrix Epoxidharz (bessere material- & Schrumpfeigenschaften als Polyesterharz)

• Potentiell Stahl bei großen Wandstärken

• Alu (bei maschineller Fertigung und hohen Stückzahlen)

Laminieren

• Trotz Verwendung von GFK ist bei aktuellen Anlagen ein Blitzschutz verbaut

• Ein Draht verbindet den rezeptor mit dem Rotor, der an die Erdung angeschlossen ist.

• Gebläseunterstütze Enteisung mit der Abwärme aus dem Maschinenhaus oder Heizwiderständen in den Rotorblättern

• Ertragssteigerung durch Enteisung, Heizelemente benötigen elektrische Energie im Bereich von wenigen Prozent

Statische Lasten:

• Deformation aufgrund der Rotation

• Deformation aufgrund stetiger aerodynamischer Lasten

  
  

Schwellende Lasten:

• Örtlich variiernde Geschwindigkeitsverteilung über die Rotation

• Turmstau/-schatten

  
  

Wechselnde Lasten:

• Gewichtskräfte

• Rotorschräganströmung

  
  

Stochastische Lasten:

• Windverhältnisse in der Anströmung

• Sturm, Böen und Wellengang bei off-shore Anlagen

• Lastwechselzahl: 500 Millionen bis 1 Milliarde

• Schlagbiegemoment: Aufgrund Windkräfte

• Schwenkbiegemoment: aufgrund Rotormasse

Reihenfolge von Rotor ausgehend:

1. Rotor

2. Getriebe

3. Generator

4. Turm

=> Rotor als erstes zur Energieumwandlung, als nächstes Getriebe zur Übersetzung für den Generator, dann der Turm um Gewicht des Aufbaus auszugleichen, zuletzt Generator um ein Ausgleichsgewicht zum Rotor zu erzeugen.

• Aus Gewichts- und Kostengründen

• Getriebelose Bauart

• Vorteile Getriebelos: Wartungsarmer, Keine Schalldämmung des Getriebes notwendig

• Nachteile: Teurer, schwerer

• Kleine Anlagen: Fliehkraft-Verstellsystem oder Hydraulik-Verstellsystem

• Große Anlagen: Elektrische Antriebe über verzahntes Wälzlager

• Kleine WKA: Windfahne

• Große WKA: hydraulische oder elektrische AZimuthal-Stellantriebe

·         Sammeln von Messdaten in der Nähe von dem potenziellen Standort bereinigt von Einflüssen wie Hindernisse, Rauigkeit, Höhe, …

·         Überführung der bereinigten Windverhältnisse in die lokalen Gegebenheiten des Standorts anhand von Modellen

·         Übertragung der Messdaten von Punkt A auf Standort B

·         Weibull Verteilung ist auch Ergebnis dieses Berechnungsverfahren

·         Turbolenzgrad der Strömung

·         Verschmutzung durch Staub, Sand und Insekten → erhöhte Rauigkeit

·         Wirtschaftlichkeit

·         Windbedingungen (durchschnittliche Windgeschwindigkeit)

·         Gesetzliche und regulatorische Beschränkungen

·         Sicherheitsrisiko (Rotorblattbruch, Beeinflussung Flugverkehr)

·         Vogelschlag

·         Störung & Beeinträchtigung von Anwohnern

·         Schallemission

·         Störung Fernsehen & Radio

·         Schattenwurf

·         Störung & Beeinträchtigung von Messeinrichtung

·         Erdbebenmessstation

·         Seismografen

·         CO2 Emission und Energieeinsatz

·         Schattenwurf

Potenzielle Gefahr existiert besonders dann, wenn Menschen in der Nähe der Anlage sind.

Durch Sicherheitsabstände, regelmäßige Wartungen und strenge Standards für Materialien und Konstruktion werden Personen und Eigentum geschützt.

105 dB(A) bei maximaler Leistung

Am Rotor durch Rotorumströmung

·         Drehzahl variabler Betrieb ermöglicht schallreduzierten Betrieb

·         Ertrag der WKA wird verringert

Der Schalleistungspegel beschreibt den Schallpegel direkt an der Quelle. Durch ausreichend Abstand zu Wohngebieten kann er vernachlässigt werden.

·         Lichtschwankungen entstehen welche störend für Menschen sind

·         Gesundheitliche Auswirkungen durch periodischen Schattenwurf

·         Kopfschmerzen

·         Visuelle Einschränkungen

·         WKA haben die niedrigsten CO2 Emissionen

·         4-13 g CO2 pro erzeugte kWh