Technik der Windkraft: So funktioniert ein Windgenerator

Ein Windgenerator wird durch die Kraft des Windes angetrieben. Doch welche Technik macht überhaupt aus dem Wind, der auf die Rotorblätter trifft, Strom? Die Funktionsweise eines Windgenerators.

Die Funktionsweise von Windgeneratoren ist komplex.
Windgeneratoren wandeln die Bewegungsenergie des Windes in Strom um. Foto: © a-apell / iStock / Thinkstock
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Wenn starker Wind auf die riesigen Rotorblätter trifft, beginnen sie sich zu drehen. Diese Windkraft wird im Inneren des Windrades in Strom umgewandelt, der uns anschliessend mit Energie versorgt. Doch durch welche Technik wird die durch die Luft hervorgerufene Bewegung in Strom umgewandelt? Dafür müssen wir den Aufbau eines Windgenerators genauer betrachten. Dieser kann in drei Teile unterschieden werden. Dazu gehört der Turm, sowie den darauf gesetzten Rotor und die Rotorblätter. Das Herzstück für die Stromerzeugung bildet dabei der im Rotor eingesetzte Umwandler oder Generator, der alle anderen Teile zusammenfügt.

Windkraftgenerator: Der Turm ist die Verbindung zum Stromnetz

Moderne Windgeneratoren bestehen von unten ausgehend aus einem Fundament und einem Turm, mit dem sie verbunden sind. Für die Rohrkonstruktion des Turmes verwendet man hauptsächlich Beton und Stahl, um den enormen Belastungen durch Windkraft und Masse der Machinengondel (bestehend aus Getriebe und Generator), sowie der Rotorblätter (siehe Grafik 1) stand zu halten.

Die Grösse der Windkraftanlagen hat sich mit dem Fortschritt der Technik verändert. Im Jahr 1960 massen die Türme noch 24 Meter. Gut 40 Jahre später waren sie bereits 114 Meter hoch. Mit zunehmender Grösse werden die Windgeneratoren effizienter. Einer mit der Höhe von 40 bis 65 Meter und einem Rotordurchmesser von 40 bis 55 Meter generiert um die 600 KW Nennleistung. Eine Windkraftanlage mit einer Höhe von 130 Meter und einem Rotordurchmesser von 112 bis 126 Meter schafft dagegen bis zu 6000 KW Nennleistung. Kleinere Windgeneratoren sind häufig industriell oder selbst gebaute Anlagen, welche elektrische Energie für das Eigenheim oder den Betrieb generieren. Die von den grossen Windkraftanlagen gewonnene elektrische Energie wird dagegen ins Stromnetz eingespeist.

Die Grafik veranschaulicht die Funktionsweise der Windgeneratoren.

Grafik 1 zeigt die einzelnen Bestandteile eines Windgenerators. Zur Vergrösserung auf das Bild klicken. Quelle: www.weltderphysik.de

Funktionsweise des Windgenerators

Herzstück des Windgenerators ist der Rotor (bestehend aus der Rotornabe, an der mehrere Rotorblätter befestigt sind) sowie die Maschinengondel, welche den Umwandler/Generator und häufig ein Getriebe beherbergt (siehe Grafik 1). Die meisten Windgeneratoren haben einen dreiflügligen, horizontal gelagerten Rotor. Drei, aus glas- oder kohlefaserverstärktem Kunststoff gefertigte Rotorblätter haben sich wegen einer optimalen Energieausbeute durchgesetzt. Zudem bewirken drei Rotorblätter eine gleichmässige Massenverteilung und einen ruhigeren Lauf. Die Bewegungsenergie des Windes bringt die Rotorblätter zum drehen. Die Funktionsweise ähnelt dabei dem Auftriebsprinzip von Flugzeugtragflächen. An der Flügelunterseite erzeugt die vorbeiströmende Luft einen Überdruck, an der Oberseite einen Sog. Dadurch werden die Rotorblätter in Bewegung gesetzt und der Wind in eine mechanische Drehbewegung umgesetzt.