„Technik von Windkraftanlagen“ - sdtb.de · - Geologie Elektrische Komponenten - Elektrotechnik...

1 09/2012 Technik der Windenergie Stiftung Deutsches Technikmuseum Berlin

„Technik von Windkraftanlagen“

Fortbildung für Lehrer zur Ausstellung

„Windstärken“

Deutsches Technikmuseum Berlin

Dipl.-Ing. Jan Liersch

Key Wind Energy GmbH Bundesallee 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


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


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

Bodennahe Schicht

Freie Atmosphäre

1 km

11 km Tropopause

Troposphäre

Erde


Rauigkeitsklassen

z0 = 0,0002 m z0 = 0,03 m

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

Europäischer Windatlas: Beschreibung der Rauhigkeitslänge z0 mit Bildern

Rauhigkeitslänge: Maß für die Störung in der Luftströmung – Turbulenz

(Größe der „störenden“ Luftwirbel )


Unterschiedliche vertikale

Windgeschwindigkeitsverteilungen

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20

Windgeschwindigkeit v in m/s

Höhe h

in m

1,00m

0,10m

0,01m

Rauhigkeitslänge z0 in m

Stadt, Wald

geringer Bewuchs

Weide, Rasen

Ruhige See, Sand

Annahme: Gleiches v1 = 10 m/s

bei Messhöhe h1 = 20 m

Je nach z 0 unterschiedliche Geschwin-

digkeit in Nabenhöhe und verschieden

starker Windgradient im Rotor!

v Küste v Stadt

v hub.Stadt v hub.Küste

0,005m

Stadt See


[BWE]

Windgeschwindigkeit in Abhängigkeit von Höhe

(vereinfachte Darstellung)


[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


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

nutzbare Rotorleistung

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

0% Abminderung Wind 100%

Wir

ku

ng

sg

rad

Le

istu

ng

sb

eiw

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 (Wirkungsgrad) liegt bei 59,3%

• Moderne Windenergieanlagen erreichen eine Rotoreffizienz von ca. 50%

Physikalisches Leistungsmaximum (nach A. Betz, 1920)


Leistungsentnahme aus dem Wind

Leistung der Windgeschwindigkeit (kinetische Leistung)

Leistung im Wind nach A. Betz

Leistungskurve einer WEA

Windgeschwindigkeit v in m/s

Spezifis

che L

eis

tung in W

/m²


“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

v

v-u

v+u

u

u

Wind-

geschwindigkeit

Anström-

geschwindigkeit

Umfangs-

geschwindigkeit

A

cW1 = 1,3

cW2 = 0,34

• Vereinfachte Darstellung mit nur 2 Schalen

• Widerstand gegen den Wind der offenen Halbschale

größer als der geschlossenen

• Drehung im Uhrzeigersinn


Physik des Auftriebsläufers

Nutzbare Leistung im Wind

Schnelllaufzahl:

Verhältnis von Umfangsgeschwindigkeit des Flügels

zur Windgeschwindigkeit

Prinzip der Leistungsentnahme:

Widerstandläufer (cP,max =0,16)

Auftriebsläufer (cP,max =0,59)

Kräfte am Flügel:

Auftriebskraft, Widerstandskraft

A = cA( A) ½ • c 2 (t • b)

Schnelllaufzahl:

= ( R) / v

PW = ½ ρ • (p • D2/4) • v3 • cP

W = cW( A) ½ • c 2 (t • b)


Druckverteilung am Blattprofil eines Auftriebsläufers

Das Blatt wird mehr nach

oben gesogen als von unten

getragen


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




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) = (a)*(b)*T ]

TPhEE iiitotalhi 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


Entwicklung der gesetzlichen Bestimmungen


Netzgebundene WEA

Globale Installation 1996 - 2011: 238.351 MW

Jahr

Insta

lliert

e L

eis

tung in M

W

[Global Wind Energy Council (GWEC), 2012]


Windenergie weltweit 2012 Top 10 der installierten Leistung und deren Marktanteil in Prozent

Land MW (02/12)

China 62.733

USA 46.919

Deutschland 29.060

Spanien 21.674

Indien 16.084

Frankreich 6.800

Italien 6.747

Großbritannien 6.540

Kanada 5.265

Portugal 4.083

Gesamt Top 10 205.905

Quelle: DEWI, 2012

China 30%

USA 23%

Deutschland 14%

Spanien 11%

Indien 8%

Frankreich 3%

Italien 3%

Großbritannien 3%

Kanada 3%

Portugal 2%


Windenergieanlagen

in Deutschland

Räumliche Verteilung der

installierten Leistung aller in

Deutschland installierten

WEA (in MW).

Stand 2010

Quelle

: w

indm

onitor


Installierte und kumulierte Wind Leistung in Deutschland

Stand: 06/2012

Gesamt: 30.016 MW

Neubau 1. HJ 2012: 1.003 MW

Quelle

: D

EW

I 2012

Installierte Leistung kumuliert [MW]

Jährlich installierte Leistung [MW]


Windenergie-Nutzung in den Bundesländern

– Rangfolge nach installierter Leistung

Qu

elle

: D

EW

I, 2

01

2



Einführung


Physik des Windes

Windenergienutzung




Onshore - Windparks




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 D

8]

Getriebe

Rotor- hauptlager

Blattlager

Pitch

Elektronik

Spinner

Drei-Punkt Befestigung für Rotorwelle:

festes Rotorhauptlager und

zwei flexibel Gummigetriebelager


Die Entwicklung der Windtechnik –

500 Mal mehr Energieertrag seit 1980


Marktanteile am Neubau in Deutschland – 2009/2010


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

rco

n.d

e)


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]

[w

ikip

edia

] [K

ey W

ind E

nerg

y]


Fuhrländer.de press release: 01/2007

Die höchste Windturbine

Fuhrländer FL2500

Laasow, Brandenburg

Gitterturm: 162 m

Rotordurchmesser : 100 m

Gesamthöhe: 212 m

Nennleistung: 2.500 kW


Offshore Windenergie-Technologie

Installation

Wartung

Tragstruktur Windenergieanlage

Netzanbindung

Wirtschaftlichkeit, Risiko


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?


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

ewab

leEn

ergy

Wo

rld

]

[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)


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

]


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

w.k

lein

win

danla

gen.d

e

Türme von KWEA

Gitterturm Abgespannter

Mast

Stahlrohr


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]

Stand 2011


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


Arbeitsfelder in der Windenergie

Forschung & Lehre

Entwicklung & Konstruktion

Fertigung & Montage

Service, Wartung,

Instandhaltung

Projektplanung

Standortbegutachtung

Umweltplanung & -technik

Finanzierung, Verwaltung

Technisch-gewerbliche Berufe

Ingenieure

Naturwissenschaftler

Wirtschafts- & Finanzwesen


Arbeitsfeld: Fertigung

Rotornabe

Rotorblatt


Arbeitsfeld: Service & Wartung


Vielen Dank!

„Technik von Windkraftanlagen“ - sdtb.de · - Geologie Elektrische Komponenten - Elektrotechnik...

Documents

Transcript of „Technik von Windkraftanlagen“ - sdtb.de · - Geologie Elektrische Komponenten - Elektrotechnik...