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Eine Windenergieanlage besteht im wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern, einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe beherbergt. Sie ist drehbar auf einem Turm gelagert, dessen Fundament die notwendige Standsicherheit gibt. Dazu kommen die Überwachungs- Regel- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik in der Maschinengondel und im Fuß des Turmes oder außerhalb.
Rotorblätter
Quelle:Buch Windkraftanlagen im Netzbetrieb von Siegfried Heier
Die Rotorblätter sind elementarer und prägender Bestandteil einer Windebergieanlage. Mit ihnen wird die Windenergie aus der Luft entnommen und dem Generator zugeführt. Sie sind für einen Teil der Betriebsgeräusche verantwortlich. Deshalb werden sie nicht nur laufend auf einen höheren Wirkungsgrad, sondern auch auf Geräuschminderung hin optimiert. Die Rotordurchmesser bei den heute üblichen Anlagengrößen liegen etwa zwischen 40 und 90 m.
Moderne Rotorblätter bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise mit Versteifungsholmen oder -stegen im Inneren hergestellt. Auch Kohlenstofffasern haben bereits bei einigen Herstellern Eingang in die Fertigung gefunden. Die Rotorblätter sind mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet, das die Entladung an die Erdung des Maschinenhauses abgibt.
Der Generator und ein eventuelles Getriebe werden auf Lebensdauer, Gewicht, Größe, Wartungsaufwand und Kosten optimiert. Ein weiterer Parameter ist die Polpaarzahl des Generators, womit das Übersetzungsverhältnis eines eventuellen Getriebes festgelegt ist.
Die Art der Bremse hängt von der Wahl der Rotorblattsteuerung ab. Bei Anlagen mit Stallregelung muss die Bremse in der Lage sein, die gesamte Bewegungsenergie des Rotors und des Generators im Notfall aufzunehmen. Sie muss deshalb sehr leistungsfähig sein. Teilweise wird sie auch als Betriebsbremse eingesetzt, um die Rotordrehzahl bei Windböen innerhalb der Toleranzen zu halten. Hierzu kommen meist große Scheibenbremsen zum Einsatz. Eine mechanische Bremsanlage fällt dann kleiner aus, oder kann sogar ganz entfallen. Alle Anlagen müssen mit zwei voneinander unabhängigen Bremssystemen ausgerüstet sein. Dazu zählen auch unabhängig voneinander verstellbare Rotorblätter.
Elektrik/Elektronik/Einspeisung
Die elektrische Ausrüstung lässt sich in den Generator, in das System zur Netzeinspeisung und das Steuer- und Überwachungssystem für den Anlagenbetrieb, unterteilen.
Bei älteren drehzahlstarren Anlagen ist der Generator, teils mit Zwischentransformator zur Spannungsanpassung, direkt an das öffentliche Stromnetz gekoppelt. Er läuft ebenfalls mit Netzfrequenz.
Bei modernen drehzahlvariablen Anlagen mit Synchrongenerator (z. B. von Enercon) schwankt der vom Generator erzeugte Wechselstrom in Frequenz und Betrag ständig. Deshalb wird er mit einem Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt, gefiltert und in einem Wechselrichter wieder in Wechselstrom zurück verwandelt. Bei einem Asynchrongenerator braucht man eine Vorrichtung zur Blindleistungskompensation, die parallel zum Generator geschaltet wird. Bei beiden Generatorvarianten wird die Spannung zuletzt auf das Netzanschlussniveau transformiert und die Windenergieanlage zusammen mit einer Messeinrichtung zur Bestimmung des eingespeisten Stroms ans Stromnetz angeschlossen. Einspeisungen von Windenergieanlagen in das Bahnstromnetz wurden bisher nicht realisiert..
Ein weiterer wichtiger Teil ist die Sensorik zur Anlagensteuerung und -überwachung. Die Windenergieanlagen besitzen eine permanente Überwachung ihrer mechanischen Komponenten, um Veränderungen zu erkennen und Schadensereignissen durch rechtzeitige Maßnahmen vorbeugen zu können (z. B. mittels Schwingungsdiagnose). Die Versicherer von Windenergieanlagen fordern solche Fernüberwachungssysteme, wenn die Anlagen günstig versichert werden sollen.
Turmvarianten
Der Turm, auf den die bis zu mehreren hundert Tonnen schwere Maschinengondel aufgesetzt wird, ist ein hochbelastetes technisches Bauteil. Er muss unter allen Betriebsbedingungen den Schwingungen der Gondel und den auftretenden Windkräften sicher widerstehen. Die Berechnung der Türme erfolgt für die vorgesehene Lebensdauer der Anlage. Vorhandene Türme können daher nach Ablauf der Lebensdauer in aller Regel nicht weiter als Träger für moderne Anlagengenerationen genutzt werden.
Die Höhe des Turmes ist ein entscheidender Faktor für den Ertrag einer Windenergieanlage, da in höheren Luftschichten die durch Bodenrauhigkeit (Bebauung und Flora) hervorgerufen Turbulenzen wesentlich verringert sind und somit der Wind konstanter und stärker weht. Während an Küstenstandorten schon relativ kleine Türme ausreichen, werden speziell im Binnenland vor allem hohe Türme aufgestellt. Bei kleineren Anlagen (bis ca. 500 kW) wurden zum Teil Türme mit Außenaufstieg, also einer Leiter außen am Turm, verwendet Größere Anlagen werden, mit Ausnahme von Gittermasten, grundsätzlich innerhalb des Turmes bestiegen. Große Türme (über 80 m) haben im Inneren in aller Regel einen Fahrkorb oder Aufzug, der den Aufstieg erleichtert. Daneben gibt es oft auch noch eine Materialwinde.
Abb.7
Quelle:Buch Windkraftanlagen im Netzbetrieb von
Stahltürme bestehen meist aus zwei bis vier Segmenten, die mit Flanschverbindungen verschraubt werden. Die Wandstärken betragen etwa 20 bis 40 mm. Auch das Verschweißen von Segmenten auf der Baustelle wird getestet. Die 100-m-Türme werden danach in einem Stück aufgerichtet und mit dem Fundament verschweißt. Vorteil dieser Variante ist der Wegfall der Flanschverbindungen. Es handelt sich jedoch noch um Prototypen.
Betonturm in Gleitschalung (auch Ortbeton-Turm genannt, da der Turm \"vor Ort\" gebaut wird und der Beton von einem regionalen Zulieferer kommt)
Betonturm in Fertigteilbauweise. Die Elemente werden auf der Baustelle aufeinandergesetzt und mit Stahlseilen in der Wandung verspannt.
Gittermast (siehe Bild Seite vorher)
Beispiele für Turmhöhen in Bezug auf Rotordurchmesser und Nennleistung:
etwa 40 m Rotordurchmesser etwa 500 bis 600 kW Nennleistung, etwa 40 bis 65 m Nabenhöhe
etwa 70 m Rotordurchmesser etwa 1,5 bis 2 MW Nennleistung, etwa 65 bis 114 m Nabenhöhe
etwa 112-126 m Rotordurchmesser etwa 4,5 bis 6 MW Nennleistung, etwa 120-130 m Nabenhöhe
Fundamentvarianten
Beim Tellerfundament bildet ein großer Stahlbetonteller den Fuß der Anlage. Er befindet sich unter einer Erdschicht und ist eine der am häufigsten angewandten Fundamentvarianten.
Bei einer Pfahlgründung werden die Fundamentplatten (Tellerfundamente) mit Pfählen im Erdboden verankert.
Tripod (Offshore) Die Anlage wird auf einen dreibeinigen Fuß gestellt.
Bucket-Fundament (Offshore)
Monopile (Offshore, pile: englisch für Pfahl, Pfosten) Dabei wird ein einzelner Mast im Erd- bzw. Seeboden versenkt.
Schwerkraftfundamente (Offshore) werden beispielsweise in der Form von großen Betongewichten auf dem Seeboden abgelegt, die so schwer und stabil sind, dass sie die Kräfte der Windenergieanlagen ohne weitere Verankerungen am Seeboden aufnehmen.
Sonderausstattungen
Bei einer versicherten Windenergieanlage ist in der Regel eine Feuerlöschanlage vorhanden, um Brände in der Mechanik und Elektronik bekämpfen zu können.Manche Windenergieanlagen dienen auch als Standort für Sendeantennen von Funkdiensten mit kleiner Leistung im Ultrakurzwellen-Bereich, wie den Mobilfunk.
Offshoreausrüstung
Windenergieanlagen auf dem offenen Meer sind, wie alle Offshore-Installationen durch die aggressive, salzhaltige Meeresluft stark korrosionsgefährdet. Daher müssen zusätzliche Maßnahmen zum Schutz ergriffen werden. Dazu zählt unter anderem die Verwendung meerwasserbeständiger Werkstoffe, Verbesserung des Korrosionsschutzes und die vollständige Kapselung bestimmter Baugruppen.
Zum Aufbau, beim Austausch von Komponenten und bei der Wartung vor Ort benötigen Offshore-Windenergieanlagen einige Änderungen in der Konstruktion. So muss die komplette Anlage auf im Durchschnitt höhere Windgeschwindigkeiten ausgelegt sein, was z. B. eine entsprechende Konstruktion des Rotors notwendig macht. Wenn der Rotor die höheren Windgeschwindigkeiten ausregelt, kann zwar von der größeren Beständigkeit des Windangebots, aber nicht vom stärkeren Wind profitiert werden. Ein weiteres Standortproblem sind die Schwingungen, zu denen eine Windenergieanlage durch die See angeregt werden kann
Funktionsweise eines Windkraftwerkes
Aerodynamik
Die aktuellen Windkraftanlagen sind Luvläufer, das heißt der Rotor (Nabe und Rotorblätter) sind vom Turm aus gesehen an der windzugewandten Seite montiert. Der Grund dafür ist, daß Leeläufer (Rotor an der windabgewandten Seite) immer mit den grossen Turbulenzen hinter dem Turm zu kämpfen haben.
Warum dreht sich der Rotor einer Windkraftanlage?
die Antwort ist, der Wind bewegt ihn. Dahinter steckt aber noch sehr viel mehr als nur diese einfache Erklärung.
Die Luftmoleküle treffen nicht nur von der Vorderseite auf die Rotorblätter. Aktuelle Windkraftanlagen machen sich das Know How aus dem Flugzeugbau zunutze. Es steckt jedoch noch viel mehr Wissen dahinter, daWindkraftanlagen unter anderen Bedingungen arbeiten, nämlich unter wechselnden Windgeschwindigkeits- und Windrichtungsverhältnissen.
Abb.16
Auftrieb
Betrachtet man einen Flugzeugflügel während des Fluges so bewegen sich die Luftmoleküle an der Oberseite der Tragflächen schneller als an der Unterseite. Dadurch ist der Druck auf der Oberseite geringer als auf der Unterseite. Dadurch entsteht eine Kraft die den Flügel aufwärts treibt. Diese Kraft nennt man Auftrieb, und macht so das Fliegen erst möglich. Der Kraftvektor des Auftriebes steht senkrecht zu der Windrichtung. Dies ist auch der Grund warum zum Beispiel bei Hausdächern die Leeseite schneller abgehoben wird als auf der windzugewandten Seite.
Abb.17
Strömungsabriss (Stall)
Wenn ein Flugzeug in den Steilflug geht um an Höhe zu gewinnen, wird der Auftrieb unter den Flügeln grösser weil die Neigung der Flügel grösser wird.
Ist jedoch der Winkel des Flügels zu gross verlaufen die Luftmoleküle nicht mehr entlang des Profil sondern beginnen sich an der Oberseite zu verwirbeln. Dies bezeichnet man als Turbulenz. Eine Folge von Turbulenzen ist, daß der Auftrieb plötzlich abreisst. Das bezeichnet man dann als Strömungsabriss oder Stall. Zu Strömungsabriss kommt es nur dann wenn sich der Anstellwinkel zu schnell ändert. Als Anstellwinkel bezeichnet man den Winkel zwischen dem Flügel und dem Weg der Luftströmung.
Abb.18
Luftwiderstand
Für die Konstruktion von Rotorblättern ist jedoch nicht nur der Auftrieb oder der Stall Effekt von Bedeutung. Eine grosse Rolle spielt auch der Luftwiderstand. Dieser vergrössert sich mit zunehmender Rotorfläche im Wind.
Addition von Windgeschwindigkeiten aus verschiedenen Richtungen
Der Wind der von vorne auf den Turm trifft ist nicht der gleich der auf die Rotorblätter trifft. Der Grund dafür ist, daß sich die Rotorblätter selbst bewegen. Das Fahrrad hat einen blauen Wimpel um die Windrichtung anzuzeigen. Wenn sich das Fahrrad nun mit 5 m/s vorwärts bewegt und es windstill ist, messen wir eine relative Geschwindigkeit zum Rad von 5 m/s und die Windfahne würde gerade nach hinten zeigen.
Abb.19
Betrachtet man nun das Fahrrad von oben wenn es sich mit 7 m/s vorwärts bewegt und von rechts mit 7 m/s wird die Windfahne im Winkel von 45 Grad in Bezug auf das Fahrrad nach links zeigen. Bei schwächerem Wind, angenommen 5 m/s würde die Fahne deutlich weniger nach links zeigen, der Winkel würde circa 35 Grad betragen. Der resultierende Wind auf das Fahrrad bezogen wird sich also immer dann ändern wenn sich der Wind von rechts ändert.
Wie gross ist nun die resultierende Windgeschwindigkeit am Fahrrad?
Wenn man Berechnungen laut den Gesetzen der Geometrie und Trigonometrie anstellt, kommt man schnell zum Ergebnis, daß die am Fahrrad gemessene Windgeschwindigkeit zwischen 8,6 und 9,9 m/s liegt (Annahme 5 bzw 7 m/s Wind von rechts).
Aerodynamik des Rotors
Um die relative Windgeschwindigkeit auf dem Rotor besser visualisieren zu können wurden an der Spitze des Rotors rote Bänder und auf einem viertel der Rotorblattlänge gelbe Bänder angebracht. Wenn sich nun der Rotor dreht werden die Bänder frei durch die Luft wirbeln.
Bei modernen Windkraftanlagen bewegt sich die Blattspitze mit circa 65 m/s, wobei die Geschwindigkeit an der Nabe annähernd Null ist und auf einem viertel der Länge ungefähr 16 m/s beträgt. Das Resultat des Versuches wäre, daß die gelben Bänder weiter nach hinten getragen würden als die roten Bänder an der Blattspitze. Die Erklärung dafür ist, daß die Geschwindigkeit an der Blattspitze ungefähr 8 mal so gross ist als die auf die Anlage auftreffende Windgeschwindigkeit.
Abb.20
Warum sind Rotorblätter verwunden?
Die Rotorblätter moderner Windkraftanlagen sind immer verwunden. Vom Rotorblatt aus gesehen wird der Anströmwinkel zwischen Wind und Blatt immer steiler (d.h. die Windkomponente von vorne überwiegt), je weiter man sich in Richtung Blattwurzel, also in die Mitte des Rotors bewegt. Wenn der Auftrieb zusammenbricht, kommt es zu einemStrömungsabriss (Stall), dies passiert dann wenn die Luftströmung in einem zu steilen Anströmwinkel auf das Blatt trifft. Rotorblätter müssen also verwunden sein damit das Blattprofil in jeder Lage optimal im Wind liegt.
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