Windenergieanlagen (WEA)

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Ausarbeitung/Facharbeit zum Projekt/zur Projektarbeit, Unterprima (U I), 12.2

Text of Windenergieanlagen (WEA)

Windenergieanlagen

Jens LiebenauGruppenmitglieder: Tobias Klawonn und Sven Johannsen

Abbildung 1: 7,5-MW-WEA

Facharbeit zum Projekt in den Fchern: Elektrotechnik (eA), Informatik sowie Wirtschaftslehre

Windenergieanlagen

Jens LiebenauGruppenmitglieder: Tobias Klawonn und Sven Johannsen

Facharbeit zum Projekt in den Fchern: Elektrotechnik (eA), Wirtschaftslehre sowie Informatik geschrieben am Beruichen Gymnasium (BG) im BerufsBildungsZentrum (BBZ) Dithmarschen im 2. Halbjahr der Unterprima (U I)/des 12. Schuljahrs betreut von: OStR Bernd Kraatz, OStRin Brigitte Moutty sowie Carsten Lenze 14. Februar bis 17. Mrz 2011 Ausdruck vom 3. Juni 2011 Abgabe am 18. Mrz 2011

Arbeitsauftrag: Erlutern Sie die Windenergieanlagen in ihrer (elektro-)technischen Funktion und ihrer konomischen Bedeutung, wobei hier zustzliche Elemente aus der Informatik einieen, die in Anlehnung an die Windenergieanlagen zu verstehen sind! Analyse einer Windenergieanlage zu folgenden Schwerpunkten: Elektrotechnik: 1) Elektrische Generatoren 1.1) Elektromagnetische Induktion 1.2) Dreiphasenwechselstrom/Drehstrom 2) Frequenzumrichter 3) Dreiphasenwechselstrom-Transformator 4) Einspeisung ins Energieversorgungsnetz Informatik: 1) Datenbanken 1.1) Tabellen und Beziehungen 1.2) Formulare und Abfragen 1.3) Berichte Wirtschaftslehre: 1) Kostenkalkulation 2) Wirtschaftlichkeit 3) Amortisation Wobei zu beachten ist, dass die Analyse in verschiedene Schwerpunkte untergliedert wird (auf die jeweiligen Gruppenmitglieder verteilt wird).

Fr meine Eltern

Jens Liebenau

Inhaltsverzeichnis

InhaltsverzeichnisA. Einleitung B. Elektrotechnische Aspekte1. Generatoren 1.1. Elektromagnetische Induktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2. Dreiphasenwechselstrom-Generatoren 2.1. Funktionsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3. Einspeisung ins Energieversorgungsnetz 4. Frequenzumrichter 4.1. Gleichrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2. Wechselrichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1. Pulsweitenmodulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5. Dreiphasenwechselstrom-Transformatoren

1 22 2 4 4 6 6 7 7 7 8

C. Informatische Gesichtspunkte

10

6. Datenbanken 10 6.1. Allgemein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 6.2. Formulare und Abfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 7. Versuchsreihen 12

D. konomische Sichtweisen8. Kostenkalkulation 9. Wirtschaftlichkeit 10.Amortisation

1414 15 16

E. Schluss F. Anhang

19 20

11.Versuchsbeschreibungen 20 11.1. Versuch #1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 11.2. Versuch #2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

V

Jens Liebenau Quellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Abkrzungsverzeichnis Eidesstattliche Versicherung Einverstndniserklrung

Inhaltsverzeichnis 22 23 24 25 26

VI

Jens Liebenau

Inhaltsverzeichnis

Teil A. EinleitungSchicksal des Menschen, wie gleichst du dem Wind! Johann Wolfgang von Goethe (17491832): Gesang der Geister ber den Wassern (1779/1789)

Windenergieanlagen (WEA) machen sich wie der Name bereits verrt den Wind und seine Energie zunutze. Sie wandeln die kinetische Energie (Bewegungsenergie) mittels der Rotoren in Rotationsenergie um, aus der mithilfe eines Generators elektrische Energie erzeugt wird, weshalb sie auch in die Gruppe der Windenergiekonverter eingeordnet werden. Im Folgenden wird der Aufbau einer blichen Windenergieanlage beschrieben: Eine WEA setzt sich hauptschlich aus einem (Beton-)Fundament, einem (Stahl-)Turm, einer Gondel mit aktiver Windnachfhrung, welche meist als Leichtbau aus glasfaserverstrktem Kunststo (GFK) besteht, sowie einem Rotor mit aktiver Blattverstellung (Pitchregelung), der i. d. R. aus 3 an der Rotornabe befestigten Rotorblttern besteht, zusammen. Die Rotornabe wird ber die Rotorwelle entweder an das in der Gondel bendliche Getriebe oder direkt an den elektrischen Generator gekoppelt. Man unterscheidet vornehmlich zwischen zwei Arten elektrischer DreiphasenwechselstromGeneratoren: Asynchrongeneratoren: Diese sind meist nicht direkt mit der Rotornabe verbunden, sondern an ein dazwischen geschaltetes Getriebe, welches die Drehzahl und damit ebenso die Frequenz erhht, gekoppelt. Der Bereich des bersetzungsverhltnisses liegt bei rund 1 : 60 bis 1 : 80. Asynchrone Generatoren arbeiten mit einer nahezu konstanten Rotordrehzahl, um das frequenzstarre Netz mit einer Frequenz von 50 Hz zu versorgen. Der Wirkungsgrad = Pab betrgt bei Pzu dieser Generatorbauweise gut 90 %. Synchrongeneratoren: Synchrone Generatoren funktionieren heutzutage bereits oftmals ohne Getriebe. Sie werden in der Energieerzeugung fast ausschlielich verwendet. Diese lsst man drehzahl und somit auch frequenzvariabel arbeiten, weshalb jedoch ein nachgeschalteter Frequenzumrichter ntig ist. Bei Synchrongeneratoren liegt der Wirkungsgrad zwischen 95 % und gar 99 %. Zum Schluss wird die Generatorspannung mittels eines Dreiphasenwechselstrom-(Leistungs-) Transformators auf eine Mittelspannung von 20 000 V, die ins Netz eingespeist wird, hochtransformiert. In unserem Projekt werden die Aspekte der Maschinenbau- und Bautechnik bewusst vernachlssigt, da unser Hauptaugenmerk den elektrotechnischen Aspekten gilt.

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Jens Liebenau

1. Generatoren

Teil B. Elektrotechnische Aspekte1. Generatoren1.1. Elektromagnetische InduktionIm folgenden Text zur elektromagnetischen Induktion werden die Kenntnisse zum Magnetismus vorausgesetzt. Bei der elektromagnetischen Induktion unterscheidet man die Induktion der Bewegung und der Ruhe. Fr Generatoren ist lediglich die Induktion der Bewegung entscheidend. Indem ein Leiter senkrecht zu den magnetischen Feldlinien eines Permanent- oder Elektromagneten mit einer gewissen Geschwindigkeit bewegt wird, wird eine Spannung induziert. Dies ist dadurch zu erklren, dass die frei beweglichen Elektronen (Elektronengas) im Leiter durch die Krfte des magnetischen Felds bewegt werden und der Leiter dadurch magnetisiert wird, d. h., die geladenen Teilchen der Atome eines Metalls richten sich aus. Es ist also ein weiteres Magnetfeld entstanden. Da die Feldlinien beider Felder entgegengerichtet sind, wirken die magnetischen Feldkrfte auch entgegengesetzt. Folglich entsteht eine abstoende Kraft, die so genannte Lorentzkraft FL , zwischen dem Magneten und den Elektronen. Diese verursacht eine Bewegung (Wanderung) der Elektronen im Leiter, so dass sich auf der einen Seite ein Elektronenberschuss und auf der anderen Seite ein Elektronenmangel einstellt. Dies ist nichts anderes als eine Ladungstrennung, die eine Potenzialdierenz, eine Spannung, und somit auch ein elektrisches Feld entstehen lsst; da der ursprngliche Zustand wieder angestrebt wird, entsteht aufgrund der Potenzialdierenz auch ein elektrischer Strom. Diese Spannung wird als Induktionssppannung oder induzierte Spannung Uind bezeichnet. Sie ist folgendermaen zu berechnen:

Abbildung 2: Induktion der Bewegung

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Jens Liebenau

1. Generatoren

Uind = B v z Uind := induzierte Spannung B := magnetische Flussdichte := Lnge des Leiters v := Geschwindigkeit des Leiters z := Anzahl der Leiter

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Lsst man eine Leiterschleife in einem magnetischen Feld gleichfrmig rotieren, so wird eine Sinus-Wechselspannung generiert.

Abbildung 3: Einphasenwechselstrom-Generator Ist der Leiter in einer waagerechten Position im magnetischen Feld, so treen viele Feldlinien senkrecht auf den Leiter, so dass die magnetische Flussnderung hier am grten ist. Wenn die Leiterschleife um 30 gedreht wird, wird die von magnetischen Feldlinien durchsetzte Flche des Leiters geringer und die magnetische Flussnderung sinkt. Liegt der Leiter senkrecht im magnetischen Feld, so ist die durchsetzte Flche und die magnetische Flussnderung gleich null. Es ist zu beobachten, dass sich die magnetische Flussnderung kosinuskurvenfrmig verhlt. Beim Verhalten der Induktionsspannung ist etwas anderes festzustellen. Die induzierte Spannung ist dann null, wenn die Leiter waagerecht im Magnetfeld steht. Lsst man die Leiterschleife um 30 rotieren, so steigt die Spannung. Der Scheitelwert der Induktionsspannung uind wird genau dann erreicht, sobald der Leiter senkrecht zu den Feldlinien des Felds steht. Die Induktionsspannung verhlt sich in einem sinuskurvenfrmigen Verlauf. Somit verhalten sich die magnetische Flussnderung und die induzierte Spannung entgegengesetzt; es ist eine Phasenverschiebung von 90 festzustellen. Die Induktionsspannung Uind lsst sich folgendermaen ermitteln: Uind = N t N := Windungen := magnetische Flussnderung t := Zeitnderung in Sekunden (2)

Dies bezeichnet man als Generatorprinzip, nach dem auch eine Windenergieanlage funktioniert.

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Jens Liebenau

2. Dreiphasenwechselstrom-Generatoren

Abbildung 4: Elektromagnetische Induktion

2. Dreiphasenwechselstrom-GeneratorenEine Windenergieanlage wird blicherweise (in Deutschland) nicht mit einem schlichten Einphasenwechselstrom-Generator betrieben. Diese erhalten einen Dreiphasenwechselstrom-Generator (auch Drehstrom-Generator genannt). Ein Dreiphasenwechselstrom-Generator setzt sich wie der Name bereits andeutet aus drei Spulen zusammen. Diese umschlieen einen rotierenden Magneten. Sie sind so angeordnet, dass sie kreisfrmig jeweils um 120 versetzt um einen DipolElektromagneten herum installiert sind. Ein Dipolmagnet besitzt hnlich wie ein Stabmagnet bspw. zwei verschiedene magnetische Pole: einen Nordpol und einen Sdpol. Dessen Feldlinien verlaufen v