Wie funktioniert eine Windkraftanlage?
Die sich im Wind drehenden Rotorblätter kennt jeder, der in ländlichen Gebieten unterwegs ist. Doch wie erzeugen Windturbinen Strom? Wir klären auf.
Aufbau einer Windkraftanlage
Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Erste Prototypen gab es bereits in den fünfziger Jahren, dennoch konnten diese ersten Windturbinen nicht wirtschaftlich betrieben werden und erreichten dadurch nie die Marktreife. Moderne, netzeinspeisende Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse und mit einem dreiblättrigen Rotor behaupteten sich erst ab den Neunzigern. Unabhängig vom Modell bestehen sie aus folgenden Komponenten:
- Rotor mit Rotorblättern
- Triebstrang mit Welle, Getriebe und Generator
- Windrichtungsnachführung
- Turm und Fundament
- Elektrische Komponenten für die Steuerung
In den folgenden Abschnitten gehen wir einzeln auf sie ein.
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Rotor
Der wichtigste Bauteil einer Windkraftanlage ist der Rotor, da er die kinetische Energie des Windes in mechanische Rotationsenergie umwandelt. Das geschieht, weil die Rotorblätter aus speziellen Tragflügelprofilen bestehen. Werden sie von vorne angeströmt, entsteht zusätzlich zur Widerstandskraft eine Auftriebskraft, die senkrecht zur Anströmung des Rotorblattes steht und wiederum ein Drehmoment erzeugt.
Bei den Windkraftanlagen mit horizontaler Drehachse, die weltweit den Markt dominieren, handelt es sich meist um sogenannte Luvläufer (up wind Rotor), bei denen, wenn man in Windrichtung schaut, der Rotor vor dem Turm steht. Diese Variante hat sich etabliert, weil die Schallbelastung im Vergleich zu Leeläufern (down wind Rotor), bei denen der Rotor sich hinter Turm befindet, viel niedriger ist.
Die Rotordrehzahl zählt zu den wichtigsten Parametern bei der Auslegung einer Windkraftanlage. Moderne Windkraftanlagen sind sogenannte Schnellläufer. Das bedeutet, dass das Verhältnis zwischen der Blattspitzenumlaufgeschwindigkeit und der anströmenden Windgeschwindigkeit 5 bis 8 beträgt.
Die hohe Drehgeschwindigkeit hat den Vorteil, dass die Turbinen im Vergleich zu einer traditionellen Windmühle mit wenigen und schlanken Flügeln auskommen. Theoretisch sind Rotoren mit einem, zwei oder vier Flügeln möglich. In der Praxis haben sich dreiblättrige Rotoren durchgesetzt, weil dort die auf die Anlage wirkenden Luftkräfte besonders gleichmäßig verteilt werden, was die Lasten auf den Turm, den Triebstrang und den Turm reduziert.
Die Blätterprofile bestehen in der Regel aus glas- oder kohleverstärkten Fasern in einer Matrix aus Epoxidharz. Zusätzlich baut man zwischen der inneren und der äußeren Schale eine Verstärkung aus Balsaholz ein. Dieses Holz, das in Mittel- und Südamerika angebaut wird, zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit und ein geringes Eigengewicht aus. Bei der Fertigung werden die Formen für den oberen und den unteren Teil (Saug- und Druckseite) separat hergestellt, ausgehärtet und anschließend zusammengeklebt.
Die Herausforderung beim Design der Rotorblätter besteht darin, das Eigengewicht so gering wie möglich zu halten, damit die bis zu 100 Meter langen Blätter den mechanischen Belastungen standhalten.
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Triebstrang
Der Triebstrang hat die Aufgabe, die Rotationsenergie des Rotors in elektrische Energie umzuwandeln. Zu den wichtigsten Elementen des Triebstrangs zählen:
- Getriebe
- Rotorwelle, Kupplung und Bremsen
- Generator
- Windrichtungsnachführung
- Sensorik
Getriebe
Der Rotor einer Windturbine dreht sich je nach Windgeschwindigkeit 5- bis 20-mal pro Minute und damit vergleichsweise langsam, dafür mit einem hohen Drehmoment. Generatoren benötigen aber viel höhere Drehzahlen von über 1.000 Umdrehungen pro Minute, um Strom zu erzeugen. Diese Drehzahl- und Drehmomentumwandlung übernimmt das Getriebe.
In kleinen Windkraftanlagen werden vor allem Stirnradgetriebe eingebaut. Bei größeren Turbinen sind dagegen Planetengetriebe üblich, die einen hohen Wirkungsgrad sowie eine niedrige Geräuschentwicklung versprechen und das bessere Preis-Leistungs-Verhältnis aufweisen. Je nach Bauweise sind mehrere Übersetzungsstufen möglich.
Generator
Die Rotorwelle überträgt die Drehbewegung an den Generator. Dieser besteht aus einem beweglichen Teil, dem Rotor, und einem stehenden Teil, dem Stator, in dem elektrischen Spulen angebracht sind. Indem der im Rotor eingebaute Magnet sich dreht, sorgt er für ein wechselndes Magnetfeld, das wiederum eine Spannung in den Spulen zur Folge hat.
Die meisten Windkraftanlagen auf der Markt sind mit einem sogenannten Asynchrongeneratorgenerator ausgestattet. Diese Generatoren gestatten eine leicht variable Drehzahl und schonen so das Getriebe. Einige Hersteller, beispielsweise Enercon, nutzen aber auch sogenannte Ringgeneratoren und verzichten auf Getriebe.
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Rotorwelle, Kupplung und Bremsen
Wegen der hohen im Betrieb auftretenden Lasten wählt man bei Windkraftanlagen elastische Kupplungen, die in der Lage sind, die Schwingungen auszugleichen. Weiter müssen die Anlagen über ein Bremssystem verfügen.
Dies ist sogar doppelt vorhanden: Sogenannte Pitchmotoren wirken als aerodynamische Bremsen und drehen bei zu hohem Auftrieb die Blätter in die Strömung, sodass der Antrieb und damit das Drehmoment an der Blattwurzel sich verringern. Darüber hinaus verfügen Windturbinen über mechanische Scheibenbremsen, um bei einem Versagen der Pitchmotoren den Rotor zum Stillstand zu bringen.
Windrichtungsnachführung
Moderne Windturbinen besitzen aktive Nachführsysteme in Form von Azimutmotoren, die den Rotor in den Wind drehen und dafür sorgen, dass die Windenergie optimal ausgenutzt wird. Der Azimutantrieb wirkt dadurch, dass eine Stirnradverzahnung am Turmanschluss den Rotor in die Strömung dreht. Gesteuert wird sie von einer Windfahne auf der Gondel.
Sensorik
Während des Betriebs verarbeitet die Steuerungseinheit einer Windturbine kontinuierlich Daten, um den Ertrag zu optimieren und die Sicherheit zu gewährleisten. Aus diesem Grund befinden sich in der Anlage zahlreiche Sensoren, darunter:
- Geschwindigkeitssensoren, die die Windgeschwindigkeit messen
- Elektrische Sensoren, die u.a. Spannung und Stromstärke erfassen
- Winkelsensoren, die den Pitchwinkel der Rotorblätter und den Azimutwinkel des Rotors messen
- Temperatur- und Drucksensoren, um beispielsweise die Öltemperatur oder die Temperatur im Generator sowie den Öldruck im Getriebe zu messen
Turm und Fundament
Eine große Windturbine im Megawattbereich kann mehr als 2.000 Tonnen wiegen. Dem Turm kommt daher eine besondere Bedeutung zu, da er sehr hohe Lasten aushalten muss. Zusätzlich zum Eigengewicht der Anlage entstehen im Betrieb wegen der Rotordrehung dynamische Kräfte und Momente, die das Material zusätzlich beanspruchen.
Bei heutigen Windturbinen sind sogenannte Rohrtürme mit rundem Querschnitt üblich, die aus Stahl (Stahlrohrturm) oder Beton bestehen. Es kommen aber auch bei einigen Anlagen Hybridtürme zum Einsatz, die die Vorteile beider Materialien vereinen. So dämpft Beton Schwingungen besser. Auch lassen sich Betontürme leichter am Standort bauen, was die Transportproblematik löst.
Warum dreht sich die Anlage
Moderne Windturbinen sind sogenannte Schnellläufer. Das bedeutet, dass sie sich schnell drehen müssen, um ihren optimalen Wirkungsgrad zu erreichen. Darüber hinaus sind sie Auftriebsläufer. Das heißt, dass sie den Auftrieb und nicht den Widerstand als Antriebskraft nutzen.
Auftrieb entsteht, wenn ein gewölbtes Profil angeströmt wird. Bei Rotorblättern verwendet man aus diesem Grund unter anderem Profile, die auch im Flugzeugbau zum Einsatz kommen. Die Anforderungen an diese Profile sind hoch. Auf der einen Seite müssen sie so viel Auftrieb wie möglich erzeugen, auf der anderen Seite so wenig Widerstand wie möglich.
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