Aufbau & Komponenten

Aufbau & Komponenten 2014-07-03T09:55:08+00:00

img10(http://www.wwindea.org/technology/ch01/imgs/1_2_img1.jpg)

1. Turm

Der Turm einer Windkraftanlage ist ein Bauteil, das hohen Belastungen ausgesetzt ist: Die Gondel wiegt oft mehrere hundert Tonnen, hinzu kommen Belastungen durch die Rotorblätter und die Kraft des Windes. Generell gilt: Die geeignete Turmhöhe für eine Windenergieanlage (WEA) wird von mehreren Faktoren (z.B. Kosten) beeinflusst und ist für jeden Standort individuell auszuwählen.

Beispiele für Turmhöhen:

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  • Nabenhöhe 40-65 m: ca. 600 kW Nennleistung und ca. 40 bis 65 m Rotordurchmesser
  • Nabenhöhe 65 bis 114 m: ca. 1,5 bis 2 MW Nennleistung und ca. 70 m Rotordurchmesser
  • Nabenhöhe: 120 bis 130 m etwa 4,5 bis 6 MW Nennleistung und ca. 112 bis 126 m Rotordurchmesser

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Typen von Türmen

Folgende Typen von Türmen kann man unterscheiden. Dabei sind Beton- und Stahltürme stärker verbreitet als Gittertürme:

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  • Stahltürme bestehen meist aus zwei bis vier Segmenten.
  • Betontürme in Kletterschalung werden vor Ort gebaut und erleichtern Transport und Montage (auch als „in-Ort-Beton“ oder „vor-Ort-Beton“ bezeichnet). In großen Höhen und im Winter ist jedoch besondere Sorgfalt geboten.
  • Betontürme in Fertigteilbauweise. Hier werden die Segmente auf der Baustelle aufeinander gesetzt und mit Stahlseilen in der Wandung verspannt.
  • Gittertürme sind in Indien sehr verbreitet, findet man aber auch in anderen Ländern, so etwa in den USA (Westernmills) und in Deutschland.
  • Hybridtürme bestehen aus Komponenten der oben genannten Turmtypen.
  • Abgespannte Masten sind vor allem bei Kleinwindkraftanlagen verbreitet, da sie einerseits leicht sind, andererseits für einen Aufbau ohne Kran geeignet sind.

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Höhere Türme über 80 Meter verfügen im Turminneren in der Regel über einen Fahrkorb oder einen Aufzug zur Aufstiegserleichterung.

img11Windkraftanlagen mit Gittermasten in Costa Rica

2. Fundament

Das Fundament bildet die Verankerung der Windenergieanlage im Erdreich. Um die Standfestigkeit der Windenergie-Anlage zu gewährleisten, wird je nach Festigkeit des Untergrundes eine Pfahl- oder Flachgründung vorgenommen.

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  • Tellerfundament/Flachgründung: Hier bildet ein großer Stahlbetonteller unter einer Erdschicht den Fuß der Anlage. Es ist eine der am häufigsten angewandten Fundamentvarianten.
  • Bei einer Pfahlgründung werden die Fundamentplatten (Tellerfundamente) mit Pfählen im Erdboden verankert. Dies ist bei besonders weichen Untergrund erforderlich.

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img12Windpark Uetersen, Deutschland. Fertiges Fundament für Windenergieanlage.

Für den Offshore-Einsatz kommen folgende Fundamente in Frage. Generell wird hier derzeit noch viel geforscht und erprobt.

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  • Schwerkraftfundamente werden bislang häufig verwendet und auf dem Seeboden abgelegt. Diese (z.B. große Gewichte aus Beton), sind so schwer und stabil, dass sie ohne weitere Verankerungen am Seeboden auskommen.
  • Tripod (Dreibein): Die Windkraftanlage wird bei diesem Typus auf einen dreibeinigen Fuß gestellt. Der Pfeiler unterhalb des Turms ist mit einem Stahlrahmen verbunden, der die Turmkräfte auf drei Stahlpfeiler verteilt, die wiederum ca. 10-20 Meter tief im Seeboden verankert werden.
  • Bucket-Fundament: Dieses besteht aus einem nach unten geöffneten Stahlzylinder, der auch zur Namensgebung beigetragen hat (bucket = Eimer). Der Zylinder wird zunächst auf den Seeboden gesetzt und anschließend leergepumpt. Der so im Inneren des Fundaments erzeugte Unterdruck drückt das Fundamanent in den Boden. Das Bodenmaterial im Innern des Zylinders stützt das Fundament und verankert es im Meeresgrund.
  • Monopile (pile = Pfahl, Pfosten): Dabei wird ein einzelner Mast (Stahlpfeiler mit einem Durchmesser von etwa 4 Metern) im Seeboden versenkt. Der Monopile wird je nach Untergrund ca. 10-20 Meter tief in den Boden eingetrieben.

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(http://www.wwindea.org/technology/ch01/de/1_2_1_1_1.html)

3. Rotorblätter

Funktionsweise

Mit den Rotorblättern wird die Windenergie aus der Luft „entnommen“. Die Rotorblätter „fangen“ den Wind ein und leiten aus dessen Bewegungsenergie die Leistung an die Nabe weiter. Das Profil ähnelt dabei dem von Flugzeugtragflächen. Rotorblätter nutzen dasselbe Auftriebsprinzip: An der Flügelunterseite erzeugt die vorbeiströmende Luft einen Überdruck, an der Oberseite hingegen einen Sog. Diese Kräfte versetzen den Rotor in eine Vorwärts-, sprich Drehbewegung.

Anzahl der Rotorblätter

Heute dominiert der dreiflügelige, horizontal gelagerte Rotor mit einem Durchmesser von ca. 40-90 Meter.

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Der dreiflügelige Rotortyp hat sich durchgesetzt, wohingegen es früher noch „Einflügler“, Anlagen mit zwei Blättern und „Vielflügler“ mit vielen Blättern gab. Es hat sich jedoch gezeigt, dass drei Rotorblätter die optimale Energieausbeute bei großen Windkraftanlagen zur Stromgewinnung gewährleistet. Ferner bedeutet drei Rotorblätter eine gleichmäßigere Massenverteilung. Dies bewirkt einen ruhigeren Lauf aus und hinterlässt somit beim Betrachter einen „ruhigeren“ Eindruck.

Verwendetes Material

Die Rotorblätter werden hauptsächlich aus glas- beziehungsweise kohlefaserverstärkten Kunststoffen (GFK, CFK) gefertigt. Die Schichten sind meist mit Epoxidharz verklebt. Weniger verbreitet sind hingegen Holz, Holz-Epoxid oder Holz-Faser-Epoxid-Verbundwerkstoffe. Ein großer Vorteil von Holzrotorblättern besteht in Ihrer Recyclingfähigkeit.

Aluminium und Stahllegierungen haben Nachteile in Bezug auf Gewicht und Materialermüdung. Aus diesem Grund werden diese Materialien derzeit nur für sehr kleine Windkraftanlagen verwendet.

Design und Profil

Jeder Hersteller hat eigene Rotorblattkonzepte und forscht an einem innovativen Design, es gibt sehr unterschiedliche Variationen. Generell sind jedoch alle Rotorblätter ähnlich wie Flugzeugflügel konstruiert.

4. Nabe

Die Nabe ist die Mitte der Rotorfläche, an der die Rotorblätter montiert sind. Der hierzu verwendete Werkstoff ist Grau- oder Stahlguss.

Die Nabe leitet die Energie von den Rotorblättern an den Generator weiter. Bei Windkraftanlagen mit Getrieben bedeutet dies, dass die Nabe mit der langsam drehenden Welle des Getriebes verbunden ist und so die Energie aus dem Wind in eine Drehbewegung umwandelt. Bei getriebelosen Anlagen überträgt die Nabe die Energie direkt an den Ringgenerator.

img14Rotornabe Enercon E82 auf der Hannover-Messe Energy – International

Das Rotorblatt kann unterschiedlich an der Nabe befestigt werden: Entweder geschieht dies starr, gelenkig oder pendelnd. Letzteres wird durch eine spezielle Bauweise des Zweiblattrotors ermöglicht, dessen Doppelblatt als Ganzes pendelnd an der Nabe verankert werden kann. Die meisten Hersteller setzen derzeit auf eine starre Nabe. Dies gilt als solide, hält den Anteil an beweglichen und störanfälligen Bauteilen niedrig und ist konstruktiv verhältnismäßig überschaubar.

5. Leistungsregulierung

Die Leistungsaufnahme einer Windkraftanlage muss regulierbar sein. Bei zu starkem Wind wird die Leistung reguliert, um Schäden an der Anlage zu verhindern. Es gibt generell zwei Konzepte zur Leistungsregulierung:

Stall-Regelung (Regelung durch Strömungsabriss)

Die Rotorblätter sind bei Anlagen mit einer Stall-Regelung mit einem festen Winkel an der Rotornabe angebracht. Das Rotorblattprofil ist dabei so ausgelegt, dass sich bei zu hoher Windgeschwindigkeit an der windabgewandten Seite des Rotorblatts Turbulenzen bilden. Zugleich wird die Leistungsaufnahme bei sehr starkem Wind auf „natürliche Weise“ durch den Asynchrongenerator begrenzt. Er fesselt die Drehzahl der Anlage an die Frequenz des elektrischen Netzes, so dass der Rotor auch bei sehr starkem Wind nicht schneller drehen kann. Dadurch reißt die Strömung an den Flügeln ab (stall) und die Leistungsaufnahme der Anlage wird so (ohne eine Blattwinkelverstellung) begrenzt.

Eine Modifikation stellt die so genannte Aktiv-Stall-Regelung dar, bei der eine Verstellung der Rotorblätter möglich ist. Diese Regelung wird vor allem bei den großen Windkraftanlagen angewandt. Bei zu starken Winden werden die Rotorblätter in den Wind gedreht, so dass der Strömungsabriss verstärkt wird.
Der Vorteil der Aktiv-Stallregelung wird darin gesehen, dass die Leistungsabgabe genauer geregelt werden kann als bei der (Passiv-)Stallregelung.

Pitch-Regelung (Blattwinkelverstellung)

Die ab 1990 bis 2000 zur Marktreife entwickelten Regelungskonzepte beruhen auf einer Rotorblattwinkelverstellung („pitch“ = englisch für Anstellwinkel). Jedes einzelne Rotorblatt kann dabei stufenlos verstellt werden. Der Antrieb der Verstellung kann dabei mechanisch, hydraulisch oder elektrisch erfolgen.

Ein Regler misst ständig die Leistungsabgabe der Anlage. Bei zu starkem Wind werden die Rotorblätter – meist nur den Bruchteil eines Grades – um ihre Längsachse aus dem Wind gedreht. Auf diese Weise wird der Auftrieb verringert, so dass auch bei hohen Windgeschwindigkeiten die Leistungsabgabe des Rotors ab der Nennleistung konstant bleibt.

(http://www.wwindea.org/technology/ch01/de/1_2_1_2.html)

6. Gondel mit Maschinenstrang

Komponenten des Triebstrangs

Der Triebstrang besteht aus folgenden Komponenten:

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  • Rotorwelle mit Lagerung
  • Getriebe (entfällt bei getriebelosen Anlagen)
  • Bremse(n) und Kupplung
  • Generator.

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Für die Anordnung der Komponenten gibt es viele Varianten, sie variiert von Hersteller zu Hersteller. Für diese Komponenten setzen Zertifizierungsgesellschaften Vorgaben bezüglich Geräusche/Lärmemissionen, Schwingungsverhalten und Lastprofile fest. Dies ist insofern sehr wichtig, als diese Komponenten sehr hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

img15Triebstrang: Mit Getriebe

img16Triebstrang: Direktantrieb

6.1 Rotorwelle mit Lagerung

Die Rotorwelle stellt die Verbindung zwischen Rotor und Getriebe her. Sie wird auch als langsam laufende Antriebswelle bezeichnet.

6.2 Getriebe

Das Getriebe wandelt die vom langsam laufenden Rotor (hotlink) erzeugte Drehzahl von ca. 18-50 U/min in die für den schnell laufendem Generator notwendige Drehzahl von ca. 1.500 U/min vor.

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Als Getriebe werden Stirnradgetriebe und Planetengetriebe eingesetzt.

Wird für die Anlage ein speziell entwickelter hochpoliger Ringgenerator mit großem Durchmesser verwendet, kann das Getriebe entfallen. Dies ist deshalb interessant, da Getriebe eine Reihe von Nachteilen besitzen, wie etwa Verschleiß, Wartungsaufwand oder Lärmemissionen.

6.3 Kupplung und Bremse

Die Kupplung befindet sich zwischen Hauptwelle und Getriebe ist aufgrund der enormen Drehmomente eine starre Kupplung.

Bremse

Es gibt generell zwei Arten von Bremsen – aerodynamische Bremssysteme und mechanische Systeme.

Die Zertifizierungs-Richtlinien des Germanischen Lloyd schreiben zwei voneinander unabhängige Bremssysteme vor: Aerodynamische Bremsen (durch verstellbare Blattspitzen bzw. Verdrehung des gesamten Rotorblattes) und eine andere Bremse. Letztere ist bei größeren Windkraftanlagen zumeist eine mechanische Scheibenbremse. Diese wird vor hauptsächlich dann benutzt, wenn die aerodynamische Bremse versagt oder die Anlage repariert wird.

Die Art der mechanischen Bremse hängt von der Art der Leistungsregulierung ab. Bei Anlagen mit Stall-Regelung muss die mechanische Bremse im Notfall die gesamte Bewegungsenergie des Rotors und des Generators aufzunehmen können und deshalb sehr leistungsfähig sein. Bei Anlagen, die Rotorblätter aerodynamisch abbremsen können (Pitch-Regelung), kann die mechanische Bremse kleiner ausfallen.

6.4 Generator

Der Generator einer Windkraftanlage wandelt die mechanische Energie in elektrische Energie um.

Bei leistungsstärkeren Windkraftanlagen werden am häufigsten doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren verwendet. Diese ermöglichen im Gegensatz zum herkömmlichen Asynchrongenerator, die Betriebsdrehzahl in Grenzen zu variieren.

Generell kann man zwischen Asynchrongeneratoren und Synchrongeneratoren unterscheiden. Asynchrongeneratoren, die zumeist eingesetzt werden, erlauben eine Synchronisation mit dem Netz und sind robust und wartungsarm. Jedoch kommen auch Synchrongeneratoren zum Einsatz, die über einen höheren Wirkungsgrad verfügen. Synchrongeneratoren können direkt oder über einen Wechselrichter an das Stromnetz gekoppelt werden. Sie benötigen jedoch eine aufwändige Zusatzeinrichtung zur Netzsynchronisation.

Alle Generatoren müssen gekühlt werden. Meist kommt ein Ventilator für eine Luftkühlung zum Einsatz. Manchmal wird auch eine Wasserkühlung verwendet.
Langsam drehende, vielpolige Ringgeneratoren ermöglichen es wie oben bereits dargestellt, auf das Getriebe zu verzichten.

(http://www.wwindea.org/technology/ch01/de/1_2_3_1.html)

7. System zur Netzeinspeisung

Die meisten modernen Windenergieanlagen der Megawattklasse verwenden netzgekoppelte Asynchrongeneratoren mit beinahe konstanter Geschwindigkeit und direkter Netzanbindung. Damit sind keine Gleich- oder Wechselrichter notwendig.

Bei drehzahlvariablen Anlagen mit Synchrongenerator schwankt der erzeugte Wechselstrom in Frequenz und Betrag ständig. Damit der Strom ins Stromnetz eingespeist werden kann, wird er mit einem Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt, gefiltert und anschließend in einem Wechselrichter wieder in Wechselstrom umgewandelt.

Bei beiden Generatortypen wird die Spannung schließlich auf das Netzanschlussniveau mittels eines Transformators umgewandelt und die Windkraftanlage sowie eine Messeinrichtung an das Stromnetz angeschlossen.

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8. Sensorik zur Anlagensteuerung und –überwachung

Sensoren oder Messeinrichtungen befinden sich auf und in der Gondel und erfassen laufend folgende Größen: Windgeschwindigkeit und Windrichtung, Rotordrehzahl und Drehzahl des Generators, Temperatur der Umgebung und einzelner Komponenten, Öldruck, Pitch- und Azimutwinkel (zur Windrichtungsnachführung), elektrische Größen sowie Vibrationen oder Gondelschwingungen.

Mit diesen Daten wird die Anlage gesteuert, zum Beispiel wird die Windrichtung direkt an die Windnachführungseinrichtung weitergeleitet oder die Daten regeln, wann die Anlage in Betrieb geht oder ausgeschaltet wird.

(http://www.wwindea.org/technology/ch01/de/1_2_1_4.html)

Quelle

http://www.wwindea.org/technology/ch01/de/1_2.html