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Konstruktionsarten von Windenergieanlagen
- Am weitesten verbreitet sind heute Windenergieanlagen mit horizontaler Rotationsachse und dreiflügeligem Rotor.
Grundsätzlich sind verschiedene Konstruktionen von Windenergieanlagen möglich. Letztlich hat sich jedoch eine Bauform durchgesetzt, die eine konstante Leistungsabgabe ermöglicht und die geringsten Probleme mit Schwingungen aufweist. Große Unterschiede gibt es beim Aufbau des Maschinenstranges, welcher der eigentlichen Stromerzeugung dient.
Horizontale Rotationsachse
Die heute üblichen Windenergieanlagen mit horizontaler Rotationsachse und dreiflügeligem Rotor, der als so genannter Luvläufer in den Wind gedreht ist, beruhen auf dänischen Konstruktionen aus den siebziger Jahren. Ihre Zuverlässigkeit und Robustheit führte dazu, dass diese Konstruktionsweise zum Standard für Windenergieanlagen wurde.
Konstruktionen mit ein- zwei- oder vierflügeligem Rotor wurden ebenso entwickelt wie Leeläufer. Bei Leeläufern läuft der Rotor auf der windabgewandten Seite der Anlage, der Turm steht auf der Luvseite. Diese Konstruktionen konnten sich aber auf Grund schwer kontrollierbarer Schwingungsentwicklungen und unruhigem Lauf nicht durchsetzen.
Vertikale Rotationsachse
Zwei Bauformen von Windenergieanlagen unterscheiden sich in ihrer Grundkonstruktion von heute üblichen Anlagen: Der Darrieus-Rotor und der Savionus-Rotor. Im Gegensatz zu den konventionellen Anlagen haben sie eine vertikale Rotationsachse. Es gibt Darrieus-Rotoren, die elliptisch geformt sind und deren Rotoren so lang sind wie die Masten, an denen sie befestigt sind, sowie H-Darrieus-Rotoren, deren H-förmiger Rotor an der Spitze eines Mastes angebracht ist. Der Savonius-Rotor besteht aus zwei ebenfalls an einer vertikalen Achse angebrachten, gegenläufig gebogenen Schaufeln, die zwischen zwei Kreisscheiben befestigt sind.
Ein niedrigerer Wirkungsgrad als bei Windenergieanlagen mit horizontaler Achse und Probleme bei der Lagerung der Drehelemente, die starken Lastwechseln unterworfen sind, führten bei beiden Entwicklungen dazu, dass sie sich nicht durchsetzten konnten.
Bauelemente einer modernen Windenergieanlage
Eine moderne Windenergieanlage konventioneller Bauart besteht aus einem Fundament, auf dem der Turm errichtet wird, einer auf ihm drehbar angebrachten Maschinengondel und dem Rotor. In der Maschinengondel befindet sich der Maschinenstrang, mit dem Strom erzeugt wird. Im Detail gibt es viele konstruktive Variationen bei den verschiedenen Herstellern.
Der Rotor
Zentrales Element der Anlage ist der Rotor. Rotoren großer Anlagen haben einen Durchmesser zwischen 40 m und 130 m. Sie werden aus Glasfaserkunststoff, seltener aus Kohlefaserverbundwerkstoffen in Halbschalenbauweise hergestellt. Das Rotorprofil ist auf einen hohen Wirkungsgrad und geringe Geräuschbelastung ausgelegt. Um Eisbildung auf den Rotoren zu vermeiden, bieten manche Hersteller eine Rotorblattheizung. Dabei wird die warme Abluft aus der Maschinengondel in die hohlen Rotoren geblasen.
Bei den meisten modernen Windenergieanlagen lassen sich die Rotoren verstellen. Bei dieser sogenannten Pitch-Regelung werden die einzelnen Rotorblätter um ihre Längsachse gedreht, verändern dadurch ihre Stellung zum Wind und regeln somit die Leistung der Anlage. Zu hohe Windgeschwindigkeiten, die Schäden anrichten könnten, werden dadurch nicht vollständig auf den Generator übertragen. Die Anlagen, deren Rotorblätter nicht verstellbar sind, werden durch die sogenannte Stall-Regelung geregelt. Ab einer bestimmten Geschwindigkeit entstehen Strömungsabrisse (Stall-Effekt) und Turbulenzen am Rotorblatt. Diese Turbulenzen reduzieren die Leistungsabgabe der Windkraftanlage.
Um die Rotoren im Wind zu halten, wird durch Windrichtungsgeber die Windrichtung ermittelt und durch Stellmotoren die Maschinengondel gedreht. Steht die Anlage still z. B. aufgrund sehr hoher Windgeschwindigkeiten, werden die Rotoren häufig aus dem Wind gedreht.
Generatoren und Getriebe
Die Drehbewegung des Rotors wird auf den Generator übertragen. Je nach Art des Generators kann die Drehzahl konstant, zweistufig oder variabel sein.
Ein Drehstrom-Synchron-Generator kann über einen weiten Drehzahlbereich Strom erzeugen. Daher wirkt der Rotor direkt auf den Generator, der eine der Drehzahl folgende Energiemenge produziert. Derartige Generatoren sind wesentlich größer und schwerer als vergleichbare mit konstanter Drehzahl und verlangen eine kompliziertere elektrotechnische Ausrüstung, um den Strom mit richtiger Spannung und Frequenz ins Netz einzuspeisen.
Drehstrom-Asynchrongeneratoren arbeiten in einem engeren Drehzahlbereich und benötigen ein Getriebe zwischen Rotor und Generator, das die relativ langsame Rotordrehzahl in eine schnelle und konstante Rotation umwandelt. Die meisten Windenergieanlagen werden mit Drehstrom-Asynchrongeneratoren und Getriebe gebaut.
