Windkraft-Technik

Technik

Um den Wind optimal zur Stromproduktion nutzen zu können, wurde besonders im letzten Jahrzehnt intensiv geforscht und entwickelt. Mit den Windmühlen vergangener Jahre vereint die modernen Windräder jedenfalls nur mehr die gemeinsam genutzte Energiequelle. Die Nutzung des Windes ist übrigens eine der ältesten Formen, um aus der Umwelt Energie zu schöpfen. Die ersten Windkraftwerke brachten es Anfang der 1980er Jahre gerade einmal auf 50 kW Nennleistung. Heute gelten hingegen schon 2 MW-Anlagen als Standard. Offshore-Anlagen bringen es gar schon auf 5 MW Nennleistung.

Zwei Fußballfelder Wind

Die Nabenhöhen der riesigen Offshore-Anlagen erreichen schon mehr als 120 Meter, wobei die Rotoren selbst schon einen Durchmesser von über 120 Meter erzielen. Um diese Dimension anschaulicher zu machen: Der Rotor deckt am Boden aufgelegt problemlos die Fläche von zwei Fußballfelder ab. Dass Rotor, Turm oder auch die Antriebswelle bei diesen Dimensionen im starken Wind gewaltigen Belastungen ausgesetzt sind, versteht sich. Wegen der enormen Kräfte, die auf die Rotorblätter einwirken, haben sich Materialforscher und Entwicklungsingenieure einiges einfallen lassen, um beispielsweise unerwünschte Schwingungen zu verhindern. Die Rotorblätter selbst sind somit schon Hightech-Produkte aus Spezialverbundstoffen, die übrigens nicht selten aus Österreich stammen. Beispielsweise das in Österreich produzierende Unternehmen Hexcel Composites hat sich auf die Konstruktion von Rotorblättern für Windkraftwerke spezialisiert. Einiges aushalten müssen aber auch Fundament und Turm. Der Rotor bringt es allein schon auf bis zu 120 Tonnen. Die Gondel, in der sich Generator, Getriebe und einiges Mehr befinden wirkt von unten betrachtet zwar eher zierlich, wiegt aber gar bis zu 300 Tonnen.

Die Bestandteile

Das Fundament besteht aus Stahlbeton und wird in eine zuvor gegrabene, große Baugrube in der Erde gegossen. Die Türme werden entweder als Fertigteilbetonturm oder Stahlrohrturm ausgeführt. Wegen des Transports werden sie erst auf der Baustelle zusammengesetzt und montiert. Der Rotor setzt sich aus der Rotornabe und den Rotorblättern zusammen. Je nach der Art, wie die Flügel an der Nabe montiert werden, unterscheidet man zwischen drei Reglungstypen. Bei der Pitchregelung lassen sich die Rotorblätter verdrehen, um selbst bei kleineren Windgeschwindigkeiten mit dem optimalen Auftriebsbeiwert (beim Segeln mit der optimalen Segelstellung vergleichbar) arbeiten zu können. Die Stall-Regelung ermöglicht wiederum eine Leistungsbegrenzung durch Strömungsabriss. Dieser stellt sich völlig automatisch ein sobald Windböen über die Nenngeschwindigkeit hinausgehen. Wird die Windgeschwindigkeit zu groß, dreht die Anlage die gesamte Gondel aus dem Wind. Die Combistall - Regelung ist eine Kombination der zuvor genannten Technologien. Die Rotorblätter lassen sich ebenfalls in den Wind drehen. Zur Leistungsbegrenzung werden die Blattspitzen aus dem Wind gedreht.

Anlagen mit oder ohne Getriebe

Eine weitere Unterscheidung stellt bei Windkraftanlagen die Kraftübertragung dar. Anlagen mit Getriebe verfügen über einen Asynchron-Generator mit variablen Schlupf. Dieser Schlupf dient zum Abfangen von Windböen. Wird der Rotor von einer Windböe erfasst, lässt die Steuerung die Generatordrehzahl leicht ansteigen. Gleichzeitig werden aber die Rotorblätter in einem größeren Anströmwinkel gebracht, um so die Rotordrehzahl zu reduzieren. Dadurch kann trotz der Windböen eine konstante Leistungsabgabe ins Netz erzielt werden. Für Rotorblätter, Hauptwelle und Getriebe bringt diese Regelungsart nur geringe Belastungen. Weitere Regelungsvarianten sind Anlagen mit zwei Asynchron-Generatoren oder einem polumschaltbaren Asynchron-Generator, um die Leistungsabgabe ins Netz konstant zu halten.

Anlagen ohne Getriebe haben weniger Bauteile und dadurch ebenfalls geringere Übertragungsverluste. Der Generatorläufer ist also direkt an die Rotornarbe angeflanscht Hier arbeiten ein Synchrongenerator mit variabler Drehzahl, der Rotor mit den beweglichen Rotorblättern und der Pitchregelung zusammen. Der Synchrongenerator (Ringgenerator) ist über einen Spannungszwischenkreis-Pulsumrichter an das Netz angeschlossen, der für die Synchronisierung an das Netz sorgt. Mit diesem System lässt sich für jede Windgeschwindigkeit der Bestpunkt vorgeben, da die Drehzahl des Rotors innerhalb des Drehzahlbandes frei wählbar ist. Bei böigem Wind bringt dies eine wesentliche Ertragssteigerung. Bei zu starkem Wind begrenzt die Pitchregelung (siehe oben) und Drehzahlregelung die Leistungsabgabe.