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Anlagentechnik

Windenergieanlagen werden in unterschiedlichen Größen hergestellt. Die ertragsstärksten Serienanlagen haben einen Rotordurchmesser von etwa 100 Meter, eine Turmhöhe bis zu 160 Meter und eine Nennleistung von etwa 3 Megawatt (MW). Die Stromproduktion beträgt je nach Standortqualität zwischen 7 und 10 Mio. kWh pro Jahr. Dies entspricht dem Stromverbrauch von 2.000 - 3.000 privaten Haushalten. Die Energiebilanz moderner Windenergieanlagen ist ausgesprochen positiv. Sie erzeugen innerhalb weniger Monate die zu ihrer Herstellung und Errichtung benötigten Energie.

Wirkungsgrad

Windenergieanlagen wandeln die im Rotorkreis vorhandene Strömungsenergie des Windes in elektrische Energie um. Das Verhältnis des erzeugten Stromes zur Strömungsenergie des Windes wird als Wirkungsgrad oder Leistungsbeiwert bezeichnet. Nach einer physikalischen Gesetzmäßigkeit beträgt der theoretisch mögliche Wirkungsgrad einer frei umströmten Windturbine maximal 59,3 % (Betzsches Gesetz). Moderne Windenergieanlagen erzielen Wirkungsgrade von 45 bis 50 %.

Funktionsweise

Aus einer Vielzahl unterschiedlicher Bauweisen haben sich Anfang der 80er Jahre Windenergieanlagen mit horizontaler Drehachse, drei Rotorblättern, Getriebe und Asynchrongenerator durchgesetzt. Dieses Konstruktionsprinzip wird das "Dänische Konzept" genannt und hat weltweit eine enorme Verbreitung gefunden:

Wie an den Tragflächen eines Flugzeuges erzeugt die Strömung des Windes an den aerodynamisch geformten Rotorblättern einen Auftrieb, der den Rotor in Drehbewegung versetzt. Bei hohen Windgeschwindigkeiten wird die Leistung der Anlage durch ein Ablösen der Luftströmung am Rotorblatt konstant gehalten (Stall-Effekt). Der Rotor treibt über ein mehrstufiges Getriebe einen direkt mit dem Stromnetz gekoppelten Asynchrongenerator an. Dadurch wird der Windenergieanlage eine von der Netzfrequenz abhängige, konstante Drehzahl vorgegeben. Das drehbar auf dem Turm gelagerte Maschinenhaus enthält alle mechanischen und elektrotechnischen Komponenten zur Umwandlung der Rotordrehung in elektrische Energie und wird der jeweiligen Windrichtung nachgeführt.

Windenergieanlagen nach dem „Dänischen Konzept” zeichnen sich durch einen einfachen und robusten Aufbau aus. Um die Wirtschaftlichkeit der Windenergienutzung zu erhöhen, haben sich eine Reihe technischer Innovationen am Markt etabliert:

In ihrer Längsachse verstellbare Rotorblätter ermöglichen eine aktive Beeinflussung der Luftanströmung (Pitch-Regelung). Computergesteuert wird der Blattanstellwinkel der jeweiligen Windgeschwindigkeit angepasst. Dies führt gegenüber einer Stall-Anlage zu höheren Stromerträgen und zu einer geringeren Belastung der Hauptkomponenten (Fundament, Turm, Rotor). Die Blattverstellung wird auch zum Stoppen der Anlage genutzt, indem die Blätter aus dem Wind gedreht werden.

Drehzahlvariable Windenergieanlagen passen die Drehzahl des Rotors den verschiedenen Windgeschwindigkeiten an. Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung der Stromproduktion. Die für die Netzeinspeisung erforderliche Leistungselektronik verringert durch Windböen entstehende Stromschwankungen und steigert die Netzverträglichkeit der Anlagen.

Ein weiteres Konstruktionskonzept besteht in der direkten Kopplung eines Generators an den Rotor der Windenergieanlage. Dadurch kann auf schnelldrehende Maschinenkomponenten verzichtet werden. Gegenüber dem Konstruktionsprinzip "Industriegenerator und Getriebe" besitzt der speziell für diese Anwendung konstruierter Synchrongenerator in Ringbauweise jedoch größere Abmessungen und ein höheres Gewicht. Sowohl das Prinzip "Getriebelose Anlage" als auch das Konstruktionsprinzip "Industriegenerator und Getriebe" wird bei modernen Windenergieanlagen eingesetzt.

Rotorblätter

Bei den Rotorblättern handelt sich um dauerfeste Leichtbauteile aus glasfaserverstärktem Verbundwerkstoff. In den vergangenen Jahren wurden große Fortschritte bei der Entwicklung von Flügelprofilen mit hohem aerodynamischen Wirkungsgrad und geringen Schallemissionen erzielt.

Turm

Bei den Türmen moderner Windenergieanlagen kommen unterschiedliche Konstruktionen zum Einsatz:

Konischer Stahlrohr- bzw. Spannbetonturm
Ortbetonturm in Gleitschalbauweise
Betonturm in Fertigteilbauweise
Gitterturm

Trafo-Übergabestation

Windenergieanlagen produzieren elektrische Energie mit einer Spannung von 380 oder 690 Volt. Diese Spannung wird durch eine Trafostation am Fußpunkt der Anlage auf Mittelspannung (10-30 KV) transformiert, in eine Übergabestation weitergeleitet und in das öffentliche Stromnetz eingespeist.

Betriebsführung

Die Betriebsführung der Windenergieanlage erfolgt computergesteuert. Bei Störungen erstellt die Anlage automatisch eine Fehlerdiagnose und übermittelt diese über ein Modem an die zuständige Wartungsfirma.