Stromerzeugung mit Windenergieanlagen 22.11.2011, 06:41

Windkraftturbine, Vorschaubild

Um mit einer Windenergieanlage Strom zu gewinnen, wird die Windenergie von den Rotorblättern in eine Drehbewegung umgewandelt. Windenergieanlagen bestehen aus vier Hauptkomponenten: Fundament, Turm, Gondel und Rotor.

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Strom aus Wind

Um mit einem Windrad Strom zu gewinnen, wird die Windenergie von den Rotorblättern in eine Drehbewegung umgewandelt. Diese treibt einen Generator im Innern der Gondel an - der Fahrraddynamo funktioniert ähnlich.
Die Rotorblätter einer modernen Windkraftanlagen werden bis zu 120 m Durchmesser gebaut, was der Länge eines Fußballfeldes entspricht.

Aufbau einer Windenergieanlage (das Bild unten zeigt eine vereinfacht dargestellte Anlage)
Windenergieanlagen sind in unterschiedlichen Konstruktionen auf dem Markt. In der Regel bestehen sie aus vier Hauptkomponenten: Fundament, Turm, Gondel und Rotor.
Die Fundamente werden als Flachfundamente oder Pfahlfundamente gebaut. Das Kriterium für die Auswahl des Fundaments ist die Tragfähigkeit des Untergrunds.

Bei den Turmkonstruktionen unterscheidet man 3 Bauarten: Gittermast, konischer Stahlrohrturm oder Betonturm. Aus ästhetischen Gründen werden vorwiegend Stahlrohrtürme gebaut. 

In der Gondel sind alle für den Betrieb der Windenergieanlage erforderlichen Baugruppen untergebracht: Antriebswelle, Hauptlager, Getriebe, Generator, Windrichtungsnachführung, Steuerungs- und Sicherheitssysteme und oft auch der Transformator.
Der Rotor mit Antriebswelle besteht aus der Nabe und den drei Rotorblättern.

Funktionsweise einer Windenergieanlage
Windräder benötigen zum Laufen eine bestimmte Windgeschwindigkeit. Erreicht sie etwa 2 m/s, dreht die Computer gesteuerte Windrichtungsnachführung die Anlage in den Wind. Der Wind drückt auf die Blätter und der Rotor beginnt zu drehen. Die hinter dem Rotor liegende Antriebswelle mündet in ein mehrstufiges Getriebe. Das Getriebe übersetzt die Rotordrehzahl auf die notwendige Generatordrehzahl. Ist sie erreicht, kann der Generator Strom erzeugen und wird mit dem Energieversorgungsnetz verbunden. Ihre Nennleistung erreichen die Anlagen je nach Bauart bei Windgeschwindigkeiten zwischen 11 m/s und 15 m/s.
Regelung:
Die Arbeit von Windenergieanlagen muss der Windstärke angepasst werden. Bei der Pitch-Regelung wird - wenn der Wind zu stark wird - das gesamte Blatt um seine Längsachse gedreht. Dies geschieht mit Hilfe von elektrischen oder hydraulischen Antrieben. 
(pitch (engl.) = Anstellwinkel).

Bei anderen Anlagen entstehen bei zu starkem Wind an der Rückseite des Blattprofils Turbulenzen, die die Blattbelastung reduzieren. Dieses Regelungssystem wird als Stall-Regelung bezeichnet. Bei stallgeregelten Anlagen werden darüber hinaus die Blattspitzen gedreht.
Bei Windgeschwindigkeiten von 25 m/s oder mehr aktiviert die Computersteuerung das Hydrauliksystem, das die Bremse auslöst. Wird die Windbelastung geringer, startet die Computersteuerung die Windenergieanlage erneut.  
(to stall (engl.) = abschalten, anhalten).

Sinkt die Drehzahl des Rotors unter einen festgelegten Wert, wird die Scheibenbremse aktiviert und der Rotor gestoppt. 

Vom Regelsystem werden die einzelnen Merkmale der mechanischen wie elektrischen Komponenten einer Windkraftanlage verarbeitet. Dies sind insbesondere die örtlichen Windverhältnisse, aber auch Drehmomente und Drehzahlen. Es sorgt für die richtige Einstellung des Rotorblatteinstellwinkels, für den Betrieb der Windrichtungsnachführung, und bei starkem Wind für die Leistungsbegrenzung.

Allgemein hat die Regelung die Aufgabe:
- den vollautomatischen und wirtschaftlichen Betrieb der Windkraftanlage zu gewährleisten,
- für die Betriebssicherheit zu sorgen,
- die mechanischen Belastungen der Bauteile in vorgegebenen Grenzen zu halten,
- die Windkraftanlage an unterschiedliche Einsatzbedingungen anzupassen.
Auf der elektrischen Seite sorgt das Regelungssystem u.a. dafür, dass die Blatteinstell-Regelung erst aktiv wird, wenn der Generator im Volllastbetrieb arbeitet. Durch Vergrößern des Blatteinstellwinkels auf 90° wird der Rotor abgebremst. Diese aerodynamische Bremse wird bei stall-geregelten Windkraftanlagen nur bei größerer als der zulässigen Windgeschwindigkeit verwendet, anderenfalls muss der Rotor mechanisch gebremst werden.
Das Bild zeigt das Prinzip der Regelung. 

Generatoren für Windkraftanlagen: 

Eine Drehstrom-Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine. Jede Drehstrom-Synchronmaschine kann als Motor und Generator betrieben werden. Die Synchronmaschine heißt so, weil ihr Läufer genau mit dem durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld synchron umläuft. Dies unterscheidet Synchronmaschinen von Asynchronmaschinen: Ihr Läufer eilt dem Drehfeld im Generatorbetrieb voraus. Für den Betrieb von Synchronmaschinen wird - im Gegensatz zu Asynchronmaschinen - ein Erregerfeld benötigt.
Moderne Windkraftanlagen arbeiten sowohl mit Asynchron- als auch Synchrongeneratoren. Asynchrongeneratoren sind als einfache, kostengünstige und wartungsarme Konstruktionen bekannt. Sie lassen sich einfach mit dem Netz synchronisieren, benötigen allerdings Blindstrom. Synchrongeneratoren haben dagegen praktisch keinen Blindstrombedarf. (Über den Begriff »Blindstrom« gibt es später einen Beitrag.) 

Die Skizze unten ist als Grundzeichnung für die Verwendung in Aufgabenblättern gedacht.  

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