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Technik der Windkraft: So funktioniert ein Windgenerator
Ein Windgenerator wird durch die Kraft des Windes angetrieben und produziert so Strom. Doch welche Technik verwandelt den Wind, der auf die Rotorblätter trifft, in Energie? Die Funktionsweise eines Windgenerators.
Windgeneratoren – das Wichtigste in Kürze:
- Ein Windkraftgenerator besteht aus einem Turm, dem Rotor mit den Rotorblättern und einem Generator.
- Die Höhe des Turms ist ausschlaggebend für die Leistung eines Windgenerators. Mehr zum Turm
- Das Herzstück eines Windgenerators bildet der Rotor und die Maschinengondel. So funktioniert ein Windgenerator
- Im Generator wird dann der eigentliche Strom erzeugt, indem die langsame Drehzahl der Rotoren in schnellere Drehzahlen übersetzt wird. Mehr dazu
Wenn Wind auf die riesigen Rotorblätter der Windräder trifft, beginnen sie sich zu drehen. Diese Windkraft wird im Inneren des Windrades in Strom umgewandelt, den wir anschliessend aus der Steckdose beziehen. Doch durch welche Technik wird die durch den Wind hervorgerufene Bewegung in Strom umgewandelt? Dafür müssen wir den Aufbau eines Windgenerators genauer betrachten.
Dieser kann in drei Teile unterschieden werden. Dazu gehört der Turm sowie der darauf gesetzte Rotor und die Rotorblätter. Das Herzstück für die Stromerzeugung bildet dabei der im Rotor eingesetzte Umwandler oder Generator, der alle anderen Teile zusammenfügt.
Windkraftgenerator: Der Turm ist die Verbindung zum Stromnetz
Moderne Windgeneratoren bestehen von unten ausgehend aus einem Fundament und einem Turm, mit dem sie verbunden sind. Für die Rohrkonstruktion des Turmes verwendet man hauptsächlich Beton und Stahl, um den enormen Belastungen durch Windkraft und Masse der Maschinengondel (bestehend aus Getriebe und Generator) sowie der Rotorblätter (siehe Grafik 1) standzuhalten.
Die Grösse der Windkraftanlagen hat sich mit dem Fortschritt der Technik verändert. Im Jahr 1960 massen die Türme noch 24 Meter. Gut 40 Jahre später waren sie bereits 114 Meter hoch. Heute (Stand November 2022) misst die grösste Windkraftanlage über 246 Meter, wobei alleine der Turm über 160 Meter hoch ist. Mit zunehmender Grösse sind die Windgeneratoren immer effizienter geworden. Einer mit der Höhe von 40 bis 65 Meter und einem Rotordurchmesser von 40 bis 55 Meter generiert um die 600-KW-Nennleistung. Eine Onshore-Windkraftanlage (Windkraftanlage an Land) mit einer Höhe von 130 Meter und einem Rotordurchmesser von 112 bis 126 Meter schafft dagegen bis zu 7000 KW Nennleistung. Kleinere Windgeneratoren sind häufig industriell oder selbst gebaute Anlagen, welche elektrische Energie für das Eigenheim oder den Betrieb generieren. Die von den grossen Windkraftanlagen gewonnene elektrische Energie wird dagegen ins Stromnetz eingespeist.
Funktionsweise des Windgenerators
Herzstück des Windgenerators ist der Rotor (bestehend aus der Rotornabe, an der mehrere Rotorblätter befestigt sind) sowie die Maschinengondel, welche den Umwandler/Generator und häufig ein Getriebe beherbergt (siehe Grafik 1). Die meisten Windgeneratoren haben einen dreiflügligen, horizontal gelagerten Rotor. Drei aus glas- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff gefertigte Rotorblätter haben sich wegen einer optimalen Energieausbeute durchgesetzt. Zudem bewirken drei Rotorblätter eine gleichmässige Massenverteilung und einen ruhigeren Lauf. Die Bewegungsenergie des Windes bringt die Rotorblätter zum Drehen. Die Funktionsweise ähnelt dabei dem Auftriebsprinzip von Flugzeugtragflächen. An der Flügelunterseite erzeugt die vorbeiströmende Luft einen Überdruck, an der Oberseite einen Sog. Dadurch werden die Rotorblätter in Bewegung gesetzt und der Wind in eine mechanische Drehbewegung umgesetzt.
Das Getriebe des Windgenerators
Die Rotornabe verbindet die Rotorblätter mit der Maschinengondel und überträgt die mechanische Drehbewegung auf die Rotorwelle. Die Rotorwelle, auch langsam laufende Antriebswelle genannt, leitet die Energie ans Getriebe weiter (siehe Grafik 1). Aufgabe des Getriebes ist die Übersetzung der niedrigen Drehzahl der Rotorwelle über mehrere Stufen in eine hohe Drehzahl. Dabei wird die vom langsam laufenden Rotor erzeugte Drehzahl von 18-50 Umdrehungen pro Minute in eine vom Umwandler/Generator benötigte hohe Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro Minute umgewandelt.
Bei Windgeneratoren ohne Getriebe überträgt die Nabe die mechanische Energie direkt an den Umwandler/Generator. Der Vorteil liegt dabei an den wenig drehenden Bauteilen, welche die technische Belastung reduzieren und damit die Lebensdauer der Anlage erhöhen. Bei Anlagen mit Getriebe sorgt eine Bremse für eine lange Lebensdauer. Sie beugt Schäden vor, indem sie die Leistungsaufnahme des Umwandlers/Generators reguliert.
Windgenerator: Umwandler/Generator und Sensoren
Die elektrische Ausrüstung eines Windgenerators lässt sich in Umwandler/Generator und Sensoren zur Steuerung und Überwachung des Anlagebetriebs unterteilen. Der Umwandler/Generator wandelt die Bewegungsenergie der Rotorblätter und des Getriebes in Elektrizität um. Bei Windgeneratoren werden Asynchron- oder Synchrongeneratoren eingesetzt. Die meisten modernen Windräder verwenden Asynchrongeneratoren, deren Drehzahl konstant auf zwei Stufen bei starker und niedriger Windgeschwindigkeit eingestellt ist. In der Windbranche werden sie gern verwendet, da sie kostengünstig, robust und wartungsarm sind. Zudem sind sie wegen der starren Drehzahl einfach mit dem Stromnetz zu verbinden.
Synchrongeneratoren haben keine bestimmte Drehzahl und der vom Umwandler/Generator erzeugte Strom variiert in Frequenz und Stärke ständig. Deshalb kann der Strom nicht direkt ins Netz eingespeist werden und wird über einen Umrichter (verwandelt Wechselstrom in Gleichstrom mit festem Spannungswert) der Netzfrequenz angepasst. Dadurch kann die Windkraftanlage Strom mit beliebiger Frequenz produzieren, den der Frequenzumrichter auf die Netzfrequenz bringt.
Sensoren oder Messeinrichtungen befinden sich auf und in der Gondel und erfassen laufend die Windgeschwindigkeit, Windrichtung, Rotordrehzahl, Drehzahl des Umwandlers/Generators, Temperatur der Umgebung und einzelner weiterer Komponenten. Mit diesen Daten wird die Anlage gesteuert. Beispielsweise werden Informationen über die Windrichtung an die Windnachführungs-Einrichtung weitergeleitet. Diese richtet die Rotornabe mit Blättern nach dem Windstrom aus (siehe Grafik 1). So sorgt sie für eine optimale Betriebsführung und Funktionsweise des Windgenerators.
Kurzüberblick zur Funktionsweise von Windgeneratoren:
- Kleine Windgeneratoren generieren Strom für das Eigenheim. Grosse Windkraftanlagen speisen den Strom ins Netz ein.
- Der Rotor setzt die Windenergie in eine mechanische Drehbewegung um.
- Das Getriebe übersetzt die niedrige Drehzahl der Rotorwelle in eine hohe Drehzahl für den Generator.
- Der Umwandler/Generator setzt die Bewegungsenergie des Windes in elektrische Energie um.
- Sensoren überwachen den Windgenerator und lenken die Windnachführungs-Einrichtung. Die Maschinengondel wird nach dem Windstrom ausgerichtet.