Die vorliegende Bachelorthesis befasst sich mit Windkraftanlagen, auch Windenergieanlagen genannt, die in der Gegenwart global die wichtigste und effektivste Art sind, die Kraft des Windes nutzbar zu machen. Auch in Deutschland sind Windkraftanlagen seit mehreren Jahrzehnten fester Bestandteil der Energieversorgung. 31.109 Windkraftanlagen generierten im vergangenen Jahr 2020 eine Leistung von 62.708 MW und waren somit verantwortlich für 27% des in Deutschland produzierten Stroms. Bis zum Jahre 2030 wurde von Seiten des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) als Ziel gesetzt, den Anlagenbestand in Deutschland auf 91.000 MW zu erhöhen. Die heutige Leistung der Windkraftanlagen hat sich nicht nur mit der Zunahme der Leistung der einzelnen Windkraftanlagen entwickelt, sondern auch mit der Erhöhung der Anzahl an Windkraftanlagen, die sich in den letzten zwei Jahrzehnten verdreifacht hat. Aus ingenieurtechnischer Sicht ist die statische wie auch die dynamische Auslegung der Windkraftanlagen zu gewährleisten. Diese Arbeit bezieht sich ausschließlich auf die statische Auslegung von Windkraftanlagen.
Die Zielsetzung dieser Abschlussarbeit ist es, die statische Auslegung von Windkraftanlagen zu berechnen und in drei Stufen verständlich darzustellen. Die erste Stufe bildet die Grundlage und soll für Abiturienten begreiflich gemacht werden. In der zweiten Stufe soll den Studierenden aus den Fachbereichen Ingenieurswesen die weiterführenden Berechnungen nachvollziehbar gemacht werden. Die dritte und letzte Stufe beinhaltet die in der Praxis angewandte Ermittlung nach Norm und soll dementsprechend für Ingenieure eindeutig sein. Die Trennung in diesen drei Stufen erfolgt, weil diese das Basic (Abiturient), die Theorie (Student) und die angehende Praxis (Ingenieur) widerspiegelt.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Ziel der Arbeit
1.2 Aufbau der Arbeit
2 Theoretischer Teil
2.1 Geschichte der Windkraftanlagen
2.2 Windkraftanlage
2.3 Funktionen und Aufbau einer Windkraftanlage
2.3.1 Fundament
2.3.2 Turm
2.3.3 Gondel
2.3.4 Rotorblatt
2.4 Bauformen von Windkraftanlagen
3 Erklärung der statischen Auslegung einer Windkraftanlage in drei Komplexitätsstufen
3.1 Zielgruppe „Abiturienten“
3.1.1 Bestandteile und Energieertrag der Windkraftanlage
3.1.2 Kräfteberechnung
3.2 Zielgruppe „Studierende“
3.2.1 Berechnung der Leistung einer Windkraftanlage
3.2.2 Mechanische Beanspruchung auf den Rotor
3.2.3 Mechanische Beanspruchung des Turmes
3.3 Zielgruppe „Ingenieure“
3.3.1 Mechanische Beanspruchung des Turmes nach Norm
4 Fazit
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Arbeit ist es, die statische Auslegung von Windkraftanlagen in drei aufeinander aufbauenden Komplexitätsstufen zu berechnen und nachvollziehbar darzustellen, um unterschiedliche Zielgruppen – von Schülern bis hin zu Ingenieuren – gezielt anzusprechen.
- Grundlagen der Windkraftanlagentechnik und Historie
- Struktur und Komponenten einer Windkraftanlage
- Physikalische Grundlagen der Statik und Kräfteberechnung
- Berechnung der Leistung und mechanischen Beanspruchung (Rotor/Turm)
- Normgerechte Auslegung von Windkraftanlagen für die Praxis
Auszug aus dem Buch
2.3.4 Rotorblatt
Das Rotorblatt ist ein Hauptbauteil der Windkraftanlage zur Umwandlung von Windenergie in mechanische Energie. Grundsätzlich wird bei heutigen Windkraftanlagen für die Stromerzeugung mit horizontaler Drehachse nach Rotoren mit einem, zwei oder drei Rotorblättern unterschieden. Im Regelfall sind nicht mehr als drei Rotorblätter im Einsatz. Denn je kleiner die Anzahl der Rotorblätter sind, desto weniger Material wird benötigt.
Die Rotorblätter bestehen überwiegend aus GFK, vereinzelt auch aus kohlefaserverstärktem Kunststoff, Metall oder Holz-Verbundwerkstoffen. Im Allgemeinen konnten sich Einblattrotoren nicht durchsetzen. Bei Dreiblattrotoren ist der optimale Leistungsbeiwert minimal höher als bei Zweiblattrotoren. Ebenso ist die mechanische Belastung einer Windkraftanlage bei Dreiblattrotoren kleiner als bei Einblatt- oder Zweiblattroten. Dabei überwiegen die Vorteile von Dreiblattrotoren gegenüber dem Nachteil des höheren Materialeinsatzes, weshalb heute hauptsächlich Dreiblattrotoren verbaut werden. Außerdem hat die Form des Rotorblattes in der Regel einen wesentlichen Einfluss auf den erreichbaren Leistungsbeiwert. Dabei sollte sich die Tiefe des Rotorblattes von der Nabe bis zur Rotorblattspitze verringern.
Für die Steuerung der Leistung über die Blattverstellung (Pitch) sind bei den heutigen Windkraftanlagen die Rotorblätter drehbar an der Nabe montiert. Hierfür werden große Wälzlager verwendet. In den Rotor ist inzwischen auch ein integrierter Blitzschutz in Form von Rezeptoren und einem Ableitersystem eingebaut. Im Hinblick darauf, dass die Blitze gewöhnlich an der Blattspitze einschlagen, befinden sich die Rezeptoren dort. Sie bestehen aus etwa 5cm großen runden Metallscheiben, die an der Spitze der Oberfläche eingebaut sind.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung definiert das Ziel der Arbeit, die statische Auslegung von Windkraftanlagen in drei Stufen zu erklären, und gibt einen Überblick über den strukturellen Aufbau der Thesis.
2 Theoretischer Teil: Dieses Kapitel erläutert die Geschichte, den Aufbau und die Funktionsweise von Windkraftanlagen sowie die gängigen Bauformen inklusive der verschiedenen Rotor- und Turmkonzepte.
3 Erklärung der statischen Auslegung einer Windkraftanlage in drei Komplexitätsstufen: Dieser Hauptteil führt die statische Berechnung für drei Zielgruppen durch: von einfachen Grundlagen für Abiturienten über Berechnungen für Studierende bis hin zur normgerechten Auslegung für Ingenieure.
4 Fazit: Das Fazit resümiert die Ergebnisse der Bachelorthesis und unterstreicht die Eignung der drei gewählten Komplexitätsstufen zur Vermittlung von ingenieurwissenschaftlichem Wissen.
Schlüsselwörter
Windkraftanlage, Statik, Auslegung, Rotorblatt, Turm, Fundament, Kräfteberechnung, Leistungsbeiwert, Mechanische Beanspruchung, Norm, Windenergie, GFK, Strömungslehre, Biegemoment, Durchbiegung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit beschäftigt sich mit der statischen Auslegung von Windkraftanlagen, wobei der Fokus auf der Berechnung von Kräften und Belastungen liegt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Bauteilbeschreibung, die physikalischen Grundlagen der Statik sowie die mathematische Berechnung von Windlasten und Turmverformungen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist die verständliche Aufbereitung statischer Berechnungen in drei Komplexitätsstufen, um diese für Abiturienten, Studierende und Ingenieure zugänglich zu machen.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es wird eine theoretische Analyse angewandt, die physikalische Gesetze (Statik/Strömungslehre) und normgerechte Lastannahmen nutzt, um realitätsnahe Berechnungsmodelle zu entwickeln.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in drei Stufen: Grundlagen und Kräfte für Abiturienten, mechanische Beanspruchungen für Studierende und die normgerechte Ermittlung für Ingenieure.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich am besten mit Begriffen wie Windkraftanlage, Statik, Kraftbeiwert, Turmbauart und normgerechte Auslegung beschreiben.
Warum erfolgt eine Einteilung in drei Komplexitätsstufen?
Die Einteilung spiegelt den Lernfortschritt vom technischen Basiswissen für Abiturienten über die vertiefte Theorie für Studierende bis hin zur praktischen Anwendung für Ingenieure wider.
Welche Rolle spielt der Standort bei der statischen Auslegung?
Der Standort beeinflusst maßgeblich die Windzonen-Einstufung und die Geländeparameter (z.B. Rauhigkeitslänge), die nach dem Nationalen Anhang (DIN EN 1991-1-4) in die Berechnung einfließen.
- Arbeit zitieren
- Mehmet Demir (Autor:in), 2021, Statische Auslegung von Windkraftanlagen unter Berücksichtigung unterschiedlicher Komplexitätsstufen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1159716
