„Technik von Windkraftanlagen“ -...

111/2011 Technik und Berufsbilder Windenergie Stiftung Deutsches Technikmuseum Berlin

„Technik von Windkraftanlagen“

Fortbildung für Lehrer zur Ausstellung

„Windstärken“

Deutsches Technikmuseum Berlin

Dipl.-Ing. Jan Liersch

Key Wind Energy GmbHBundesallee 171

10715 Berlin

[email protected]



Einführung

Geschichte der Windenergienutzung

Physik des Windes

Windenergienutzung

Politische und wirtschaftliche Rahmenbedingungen

Märkte in Deutschland und weltweit

Die Technik dahinter – gängige Windenergieanlagen

Onshore - Windparks

Offshore – Windparks

Kleine Windkraftanlagen

Arbeitsfelder und Berufsbilder


Standardbauform von Windenergieanlagen

WEA Standardbauform:

Luvläufer

(Rotor vor dem Turm)

drei Rotorblätter

horizontale Rotorachse

aktive Windnachführung


An der Windenergienutzung beteiligte Fachrichtungen

Rotorblätter

- Faser- und Verbundstofftechnik

- Aerodynamik

- Strukturmechanik /Leichtbau

Gondel / Triebstrang

- Maschinenbau

- Mechanik

- Elektrotechnik

- Automatisierungstechnik

- Schmierstoffe

Turm

- Maschinenbau

- Bauwesen

Fundament

- Bauwesen

- Geologie

Elektrische Komponenten

- Elektrotechnik

- Elektronik / Regelungstechnik

- Leittechnik

- Netzanschluss

Wind

Meteorologie

Turbulenzforschung

Standortbegutachtung


Die Entwicklung der Windtechnik –

500 Mal mehr Energieertrag seit 1980



Einführung


Physik des Windes

Windenergienutzung




Onshore - Windparks





Evolution der Windmühlen

Project GmbH


Turmwindmühlen & Holländermühle

Mittelmeer-Typ Holländische Kappwindmühle


Erfindungen und empirische Entwicklungen

Automatische Windnachführung:

Senkrecht zum Hauptrotor

orientiertes Seitenrad, dreht

automatisch durch

Getriebeübersetzungen

den Turmkopf in den Wind

Zwei bis drei simultan arbeitende

Mahlsteine zur Anpassung der

Mahlleistung an die

Windgeschwindigkeiten

Regelung des Windrotors

Jalousieflügel zur Reduktion der

effektiven Flügelfläche bei

steigendem Wind


Im Hintergrund: ENERCON E40 (1994), Getriebelos, 40 m Rotor, 500 kW installierte Leistung

Alte und neue “Windmühlen” Deutschland


Deutsches Forschungsprojekt GROWIAN

Name: Große Windkraftanlage

Standort: Kaiser-Wilhelm-Koog,

1983-88

Nabenhöhe: 100,0 m

Rotor: D = 100,4 m - Leeläufer

Nennleistung: 3 MW

Nenndrehzahl: 18,5 U/min

Blattspitzengeschwindigkeit: 100 m/s

Leistungsbeiwert der Anlage: 0,42

Gondelgewicht inkl. Rotor: 420 t



Einführung


Physik des Windes

Windenergienutzung




Onshore - Windparks





Erneuerbare Energien - Potenzial weltweit


Windenergie – Globale Luftströmungen

Aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem

Äquator und den Polen kommt es zu thermischen

Strömungen

Die globale Zirkulation

ist überlagert von lokalen

Besonderheiten


Globale Temperaturen

verursacht durch Sonneneinstrahlung

April 2006

[www.ssec.wisc.edu]


+

_

Strahlungsbilanz der nördlichen Hemisphäre

Der Wind entsteht durch Sonneneinstrahlung auf die Erde

Energieüberschuss am Äquator

(Erhitzung der Luft Aufsteigen der Luft)

Energiedefizit an den Polen (Abkühlung der Luft)

Ausgleich durch die globale Luftströmung vom Äquator zu

den Polen


Windstärken in Europa

Durchschnittliche

Windgeschwindigkeiten

Achtung: Messhöhe beachten!


Ungestörte Luftströmung verlangsamt sich zum

Erdboden hin durch die Oberflächenreibung

Ab ca. 1.000 m über der Erdoberfläche befindet

sich ungestörte Luftströmung

Darunter reibt sich Luftströmung an

Erdoberfläche,

wodurch sich die Windgeschwindigkeit verringert

Je stärker die Rauigkeit, desto stärker ist der

Abbremsvorgang

Wichtig bei WEA-Standorten:

• Rauigkeit des Geländes

• Hindernisse:

große Gebäude,

einzelne Bäume etc.

• Kontur des Geländes

(Orographie)

Offshore Windpark Tunø Knob (Dänemark)

Typischer Windpark in komplexem Gelände (Deutschland)


Lokale Windbedingungen – Grenzschichten

Schichtung der Troposphäre:

• In der planetarischen Grenzschicht (ca. 0,5 – 2 km) wird der Wind von der

Oberflächenform der Erde beeinflusst

• “Ekman Schicht” (ca. 1 km), Winddrehungen und Windzunahme des

Reibungswindes

• Bodennahe Luftschicht, auch “Prandtl Schicht” genannt

(ca. 80 m – 150 m), starke Beeinflussung durch Erdoberfläche


Rauigkeitsklassen

z0 = 0,0002 mz0 = 0,03 m

z0 = 0,10 m z0 = 0,40 m

Europäischer Windatlas: Beschreibung der Rauigkeitslänge z0 mit Bildern


[ww

w.m

ete

d.u

car.

edu/n

poess/m

icro

wave_to

pic

s/land_ocean/p

rint.htm

#s1p0]

Windenergie – verursacht durch Sonneneinstrahlung

Lokaler Effekt: See-Land-Brise

Temperaturunterschiede zwischen Land und See treiben das

lokale thermische System an.

Tag und Nachtströmungen bewegen sich in entgegen gesetzte

Richtungen.


Windenergie – Beeinflussungen in Bodennähe

www.aee.or.at

Hindernisse

Lineare

Strömung

Turbulente

Strömung


Spitzenböen am 04.02.2011

[ww

w.w

ett

ero

nlin

e.d

e]

Spitzenböen am 24.09.2010

Lokale und Regionale Windsysteme – Spitzenböen


Lokale und Regionale Windsysteme – Extremwetter

nicht geeignet für Windenergienutzung

Wirbelstürme

Hurrikan / Tornado

• Luftmassenbewegung aufgrund

von hohen

Temperaturunterschieden

• Hohe Windgeschwindigkeiten

verursachen schwere Schäden

• Nicht geeignet für

Windenergienutzung

Tropischer Wirbelsturm “Yasi” triff auf Australien

05.02.2011

[Australian News]



Einführung


Physik des Windes

Windenergienutzung




Onshore - Windparks





B

eaufo

rt-Grad 3 16 km/h · 1878 m² entsprechen 100.000 W

·

B

eaufo

rt-Grad 4 · 24 km/h · 532 m

²

Beaufo

rt-G

rad 5 · 34 km/h · 196 m

²

6 ·

44 km/h · 86 m²

7 · 5

5 km/h · 43 m²

8

9

frischer Wind kleine Bäume beginnen zu schwanken

starker Wind starke Äste bewegen sich

steifer Wind Bäume bewegen sich

stürmischer Wind Zweige brechen

Sturm kleine Schäden an Häusern und Dächern

5

6

7

8

9

· ·

· ·

· ·

· ·

· ·

8 9

· 68 km/h · 24 m² · 81 km/h · 14 m²

3 schwacher Wind Blätter und dünne Zweige bewegen sich

· ·

mäßiger Wind Zweige und dünne Äste bewegen sich

4 · ·

Windstärken nach Beaufort

jede Kreisfläche enthält das gleiche Leistungsangebot


Windenergie ist die kinetische Energie (Bewegungsenergie) sich

bewegender Luftmassen.

Diese Energie wird in der Rotorfläche

dem Luftstrom entzogen.

Windleistung ist Energie pro Zeit:

2

12

1mvEWind

Windkraft nutzen – aber wie?

v1

A

Rotor

P1 = Pex + P3


Leistungsumsetzung durch die Windenergieanlage

Windleistung

Rotorverluste

nutzbareRotorleistung

3

1

2

1Wind ρAv2

1vm

2

1EP

Windleistung in der Rotorfläche:

)(EP 1.Rotor Windvc RotorP

Rotorleistung:

)(ρAv2

11.

3

1 vc RotorP

cP – Leistungsbeiwert (Effizienz)


Windverhältnis= v3/v1

Leis

tungsbeiw

ert

cp

• v3/v1 = 1 bedeutet keine

Leistungsentnahme durch den Rotor

• v3 = 0 bedeutet völligen Stillstand der

Luft im Rotor (physikalischer Unsinn)

• Der optimale Leistungskoeffizient

(größte Effektivität) zwischen den

Werten ist gegeben bei

v3/v1 = 1/3 resp. v2/v1 = 2/3

• Das theoretische Leistungsmaximum liegt bei 59,3%

• Moderne WEA zur Energiegewinnung erreichen eine maximale

Rotoreffizienz von mehr als 50%

(gesamte Systemeffizienz ca. 45% bis 50%)

Physikalisches Leistungsmaximum (nach A. Betz, 1920)


Leistungsentnahme im Betrieb

Die Leistungsentnahme einer WEA hat zwei Betriebsbereiche:

v1 < vN(Windgeschwindigkeit kleiner als

Nennwindgeschwindigkeit):

P ~ v3: Leistungsentnahme folgt

in etwa der Windleistungskurve

v1 > vN(Windgeschwindigkeit größer als

Nennwindgeschwindigkeit):

P = PN: die Leistungsbe-

grenzung greift, um eine

Überlastung des Generators zu

verhindern

Windgeschwindigkeit v in m/s

Sp

ezifis

che

Le

istu

ng

in W

/m²

η: mechanisch-elektrische Effizienz


“Auftriebssprinzip”: Eine schmale

Segelfläche lenkt den Wind um.

Die Strömungsumlenkung bewirkt

eine Auftriebskraft.

“Widerstandsprinzip”: Ein

breites Segel bremst den Wind

stark ab. Es entsteht eine

Widerstands- bzw. Schubkraft.

Windenergie nutzen – physikalische Prinzipien

FL

FD


Modell eines Schalenkreuz-Anemometers

Vereinfachte Darstellung mit nur 2 Schalen

v

v-u

v+u

u

u

Wind-

geschwindigkeit

Anström-

geschwindigkeit

Umfangs-

geschwindigkeit

A

cW1 = 1,3

cW2 = 0,34


Rotierender Flügel beim Auftriebsläufer

Geschwindigkeitsdreieck: Vektoren: c = v2 + u , Betrag: c² = v2² + u²

c : Anströmgeschwindigkeit (relative Geschwindigkeit)

u = R : Umfangsgeschwindigkeit des Flügels an der Blattspitze

v2 : Windgeschwindigkeit in der Rotorebene (vom Rotor bereits beeinflusst)

n : Rotordrehzahl in 1/s

W = 2*pi*n : Winkelgeschwindigkeit in1/s

Schnelllaufzahl:

Umfangsgeschwindigkeit bezogen auf die Windgeschwindigkeit

Rotorblatt = Flügel

Drehachse

Rotorebene

R

v2

cρ

2

1AcF 2

LL

W

c

u

v2

FL


Druckverteilung am Blattprofil eines Auftriebsläufers Das Blatt wird mehr nach oben gesogen als von unten getragen


Stall-Effekt am Rotorblatt


Die Technik einer modernen WEA

Spannsatz

Kompakte Gondel, aber Rotorlast wirkt sich auf Getriebe aus – heute gibt es spezielle WEA

Getriebe

1 2

3

Elastomerlager

Nabe

Konische Rotorwelle

Windnachführungsmotoren

Maschinenträger

Kühler

Generator

[DeW

ind

D8]

Getriebe

Rotor-hauptlager

Blattlager

Pitch

Elektronik

Spinner

Drei-Punkt Befestigung für Rotorwelle:

festes Rotorhauptlager und

zwei flexibel Gummigetriebelager


Kalkulationsschema für den Energieertrag

Resultierende

Ertragskurve

Leistungskurve

der WEA

Windhistogramm des

Standorts (Berlin)vi in m/s

vi in m/s

vi in m/s

Ei in kWh

Pi in kW

hi in %

vN

PN

(a)

(b)

(c) =S [(a)*(b)*T ]

TPhEE iiitotal SS hi Relative Häufigkeit der Windklasse in %

Pi El. Leistungsertrag der Windklasse vi

T Zeitperiode (z.B. Jahr = 8760h)

Ei Energieertrag der Windklasse

Etotal Gesamtenergieertrag in Zeitperiode


3 Punkte, die der Windmüller wissen muss

Die Formel für die Windleistung enthält Windgeschwindigkeit ³

d.h. doppelte Windgeschwindigkeit liefert 8-fache Leistung

Aktuelle Windenergieanlagen arbeiten mit dem Auftriebsprinzip

wie Flugzeuge, Hubschrauber oder Segeljollen,

Nicht wie Rahsegler und Anemometer

Man kann nur maximal 59% der Windleistung nutzen

(Physikalischer Wirkungsgrad nach Betz)

Der Gesamtwirkungsgrad von WEA liegt ca. bei 50%



Einführung


Physik des Windes

Windenergienutzung




Onshore - Windparks





Voraussetzungen für Windparkprojekte

Windangebot (Standort)

+ Kapital (Technik, Wirtschaft)

+ Politische Rahmenbedingungen (Politik, Umwelt, Akzeptanz)

= Markt zur Nutzung der Windenergie

Waren diese Bedingungen gegeben, trat

jedesmal ein Boom der Windenergienutzung

ein:

Dänemark 1980/81

Kalifornien 1980/81

Deutschland seit 1991

§

Indien 1993

Spanien 1997

Frankreich, Italien, China, USA ...


Entwicklung der gesetzlichen Bestimmungen


Netzgebundene WEAs:

Globale Installation 1996-2010: 197 GW

Jahr

Insta

llie

rte L

eis

tun

g in

GW

[Global Wind Energy Council (GWEC), 2011]


Windenergie - Globale Installation je Kontinent

[Glo

ba

l W

ind E

ne

rgy C

ou

ncil

GW

EC

, 2

011

]

Jährliche Installation 2003 - 2010


China 22%

USA20%

Deutschland14%

Spanien10%

Indien7%

Italien3%

Frankreich3%

Großbritannien3%

Kanada 2%

Dänemark2%

Sonstige 14%

Windenergie weltweit 2010 Top 10 der installierten Leistung und Marktanteil in Prozent

LandGesamt

2010 in MW

Bis 07/2011

in MW

China 42.287 52.800

USA 40.180 42.432

Deutschland 27.214 27.981

Spanien 20.676 21.150

Indien 13.065 14.550

Italien 5.797 6.200

Frankreich 5.660 6.060

Großbritannien 5.204 5.707

Kanada 4.009 4.611

Dänemark 3.752 k.A.

Gesamt Top 10 168.844 MW 185.451 MW

Quelle: GWEC, 2011


Windenergieanlagen

in Deutschland

Räumliche Verteilung der

installierten Leistung aller in

Deutschland installierten

WEA (in MW).

27.981MW, Stand 2010

Qu

elle

: w

ind

mo

nito

r


Installierte und kumulierte Wind Leistung in Deutschland

Stand: 07/2011

Gesamt: 27.981 MW

Neubau 2011: 793 MW

Qu

elle

: D

EW

I/B

WE

, 2

011


Windenergie-Nutzung in den Bundesländern

– Rangfolge nach installierter Leistung

Qu

elle

: D

EW

I, 2

011


Marktanteile am Neubau in Deutschland – 2009/2010



Einführung


Physik des Windes

Windenergienutzung




Onshore - Windparks





WEA: Onshore (1)

REpower 3.XM - Baureihe

• Prototyp nahe Husum, Ende 2008

• REpower 3.4M

o Nennleistung: 3,4 MW

o Rotordurchmesser: 104 m

o Nabenhöhen: 78 – 128 m

• REpower 3.2M

o Nennleistung: 3,2 MW

o Rotordurchmesser: 114 m

o Nabenhöhe: 93 m

[REpower]

[REpower] [REpower]

http://www.deutsche-windindustrie.de/

http://www.deutsche-windindustrie.de/


WEA: Onshore (2)

Enercon E-101

Prototyp 2010

3 MW, 101 m Rotordurchmesser

99 m / 135 m Nabenhöhe

(ww

w.e

ne

rcon

.de

)


WEA: Onshore (3)

Enercon E-126

Prototyp Rysumer Nacken nahe

Emden, November 2007

ca. 18 WEA errichtet

6 - 7,5 MW

ca. 18 GWh/Jahr

(18 Mio. kWh/Jahr)

127 m Rotordurchmesser

135 m Nabenhöhe

Rotorblatt besteht aus

2 Segmenten,

im Inneren aus Stahl

[ENERCON]

[wik

ipedia

][K

ey W

ind E

nerg

y]


Fuhrländer.de press release: 01/2007

Die höchste Windturbine

Fuhrländer FL2500

Laasow, Brandenburg

Gitterturm: 162 m

Nennleistung: 2.500 kW

Rotordurchmesser : 100 m


WEA: Onshore und Offshore (1)

Vestas V112 - 3 MW

• Prototyp 2009

• 3 MW, 112 m Rotordurchmesser

• 85 m / 119 m Nabenhöhe

• Synchrongenerator mit PM

[ GE Deutschland]

[Vestas]

Vestas V90 - 3MW

• Prototyp: 2002


• Mehr als 500 WEA Offshore und Onshore in Betrieb

[Vestas]


[Ren

ewableEn

ergyWorld]

[REpower]

[REpower]

REpower 5M

• Prototyp: Oktober 2004


• 6 WEA Offshore (WP alpha ventus),

weitere Onshore

REpower 6M

• 3 Prototypen

(onshore)

März 2009

• 6,150 MW

• 126 m Rotordurch-

messer

WEA: Onshore und Offshore (2)


Offshore Windenergie-Technologie

Installation

Wartung

TragstrukturWindenergieanlage

Netzanbindung

Wirtschaftlichkeit, Risiko


Bard 5.0

• 2 Prototypen Onshore in Emden

• 1 Prototyp Nearshore in Hooksiel, BARD

Offshore 1 z.Z. im Bau

• 5 MW Nennleistung

• 122 m Rotordurchmesser

• 90 m Nabenhöhe

Areva Wind M5000 (ehem. Multibrid)

• Prototyp: Dezember 2004

• 5 MW Nennleistung


• 6 WEA Offshore (WP alpha

ventus), weitere Onshore

[www.bard-offshore.de]

[www.multibrid.com, 2009]

WEA: Offshore (1)


Siemens SWT-3.6-120

• 3,6 MW Nennleistung


• 2 Prototypen nahe Kopenhagen,

Dänemark errichtet im Dezember 2009

Siemens SWT-3.6-107

• 3,6 MW Nennleistung

• 107 m Rotordurch-

messer

• Mehr als 100 WEA

in Betrieb

WEA: Offshore (2)

Windpark Burbo, Großbritannien [ww

w.s

iem

en

s.c

om

]


Turbinenkonzepte

• Zuverlässig

• Robust gegen Schwerwetter und Korrosion

Tragstrukturen

• Abhängig von Wassertiefe und Seeboden

Installation von Fundament, Turm und Turbine

• Wetterabhängig

• Verfügbarkeit von Kran- und Installationsschiffen

Betrieb & Wartung

• Zugänglichkeit begrenzt (Boote, Spezialschiffe, Helikopter)

Netzanbindung

• Seekabelwege

• Kapazität (HGÜ oder Wechselspannung) & Transformatorstation

• Netzintegration

Was ist speziell an der WEA-Offshore-Technik?


Bauarten von Kleinwind-

energieanlagen (KWEA)

[Quelle: Qualitätssicherung im Sektor der Kleinwindenergieanlagen,

BWE 2011]


ww

w.k

lein

win

danla

gen.d

e/h

tml/selb

stb

au.h

tml

Beispiele für Bauformen von KWEA

ww

w.k

lein

win

danla

gen.d

e/h

tml/flip

_150.h

tml

ww

w.v

ert

ikale

win

dkra

ftanla

gen.d

e

H-Darrieus-Rotor 3 - Blatt Rotor 2 - Blatt Rotor


ww

ind

ea.o

rg

Betrieb von

Telekommunikations-

einrichtungen

Anwendungen für KWEA

Batterielader für Boote Betrieb von

elektrischen Zäunen


Prognose der jährlichen neu installierten

Windenergieleistung in Deutschland

[DEWI-Studie 2008]


2020: Das Potenzial der Windenergie


Unterrichtsmaterialien

Österreichische Interessens-

gemeinschaft Windkraft

http://igwindkraft.at/kinder/

BMU Bildungsmaterialien für Grundschulen –

Erneuerbare Energien

http://www.bmu.de/bildungsservice/bildungsmate

rialien/grundschule/doc/46177.php


Vielen Dank!

„Technik von Windkraftanlagen“ -...

Documents

Transcript of „Technik von Windkraftanlagen“ -...