Windgenerator: Funktionsweise des Getriebes und Generators

Das Getriebe ist für die Funktionsweise des Windgenerators wichtig.

Ein Getriebe wird in ein Windrad eingebaut. Quelle: Wikipedia, Paul Anderson

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: Umwandlers/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 billig, robust und wartungsarm sind. Zudem sind sie wegen der starren Drehzahl mit dem Stromnetz einfach 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.

 

Quellen: weltderphyisk.de, wikipedia.org, wind-energie.de, suisse-eole.ch, Text: Lea Schwer