Centrales Agrar-Rohstoff Marketing- und Energie-Netzwerk e.V.


Eine moderne Windenergieanlage ist ein komplexes, großtechnisches Gebilde aus einer Vielzahl einzelner Komponenten. Den schematischen Aufbau einer typischen Windkraftanlage vom Typ eines horizontalachsigen Auftriebsläufers zeigt die nachstehende Grafik.windkraftanlage mk

Schema einer Windenergieanlage mit technischen Bestandteilen und Netzanschluss, C.A.R.M.E.N. e.V. 

  

Anlagenbestandteile

 

Rotor

Rotoren bilden den wohl charakteristischen Bestandteil einer jeden Windenergieanlage. Sie sind für die Aufnahme und Übertragung der Bewegungsenergie des Windes verantwortlich, auf welche sich die Stromproduktion aus Windenergie stützt. Dies geschieht anhand des im vorigen Kapitel erläuterten Auftriebsprinzips.

Die Rotoren ihrerseits setzen sich im Wesentlichen aus drei separaten Teilsystem zusammen: Den Rotorblättern, der Rotorblattverstellvorrichtungen sowie der Rotornabe, an der die einzelnen Blätter angebracht sind.

Rotorblätter

Für die Herstellung der Rotorblätter, die ähnliche Funktionen wie Flugzeugtragflächen wahrnehmen, sind in erster Linie Erfahrungen, Vorbilder und Verfahren aus der Luftfahrttechnik zugrunde gelegt worden. Von den zahlreichen in Frage kommenden Materialien, darunter Aluminium, Stahl oder Holz, haben sich in erster Linie zwei Verbundwerkstoffe aus finanziellen und technischen Gründen durchgesetzt: Glasfaser- und Kohlefaser-Verbundwerkstoffe. Diese vereinen entscheidende Eigenschaften wie hohe spezifische Bruchfestigkeit mit geringem Gewicht und vertretbaren Kosten. Kohlefasern sind dabei Glasfasern infolge höherer Dauerfestigkeit, Bruchfestigkeit und Steifigkeit überlegen, kommen jedoch als Folge ihrer wesentlich höheren Materialkosten in erster Linie an besonders belasteten Bereichen der Rotorblattstruktur und vermehrt bei sehr langen Rotorblättern zum Einsatz, wo Glasfasern an ihre Grenzen stoßen.

Diese Fasern werden in anfangs flüssige Kunstharze eingegebettet, welche anschließend in der gewünschten Form aushärten. Die ausgehärteten Gebilde erhalten durch die darin eingeschlossenen Fasern ihre besondere Belastbarkeit. Als Werkstoff findet dabei zumeist das ebenfalls im Flugzeugbau gebräuchliche Epoxidharz Anwendung. Dieses weist dauerhaft sehr gute Festigkeitseigenschaften auf und kann, dank seiner ausgeprägter Klebefähigkeit, gewichtsparend verarbeitet werden.

Die Zusammensetzung der Rotorblätter erfolgt nach der "Sandwichbauweise", bei der lediglich die äußerste, den stärksten Materialspannungen ausgesetzte Schicht aus einem harten Faserverbundwerkstoff besteht und sämtliche tragenden Funktionen übernimmt, während die inneren Schichten aus leichteren Stützmaterialien bestehen. Ober- und Unterseite der Rotorblätter werden jeweils separat gegossen und anschließend verleimt. Im Inneren der beiden Hälften der Rotorblattaußenschale werden ergänzend dazu Holme- bzw. Holmkästen, die in Längsrichtung verlaufen, sowie Stege, die in Querrichtung eingebracht sind, installiert. Diese verleihen den Rotorblättern den erforderlichen Halt und hohe Biegefestigkeit.

Einen nicht unerheblichen Gewichts- und Kostenanteil großer Rotorkonstruktionen machten die Blattanschlüsse aus, über welche die Rotorblätter mit den Rotornaben verbunden werden. Inzwischen haben sich jedoch diverse Leichtbauweisen etabliert, welche helfen, das Gewicht der Rotorblätter zu vermindern. Es finden sich Methoden wie Querbolzenanschlüsse aus der Luftfahrttechnik oder in die Verbundwerkstoffe einlaminierte Aluminiumflansche oder Hülsen für Blattanschlussbolzen.

Blattverstellvorrichtung

An den Wurzeln der Rotorblätter in den Rotornaben werden des Weiteren die Blattverstellvorrichtungen angebracht, welche die Rotorblätter in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit um ihre Längsachse rotieren können, um die Anströmung durch den Wind zu optimieren. Auf diese Weise können die Anlagen besser auf unterschiedliche Windverhältnisse reagieren, was im Teillastbereich mittels der Momentregelung zu höherer Energieausbeute und verringerten Lärmemissionen führt. Gleichzeitig dient die Pitchregelung dazu, die Anlage bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten graduell abzubremsen, um einen verschleißarmen Weiterbetrieb über die Generatornenngeschwindigkeit hinaus zu ermöglichen, somit die Energieausbeute zu maximieren und bei Erreichen der Abschaltgeschwindigkeit die Anlage auszuschalten, damit etwaige Sturmschäden verhindert werden.

Rotornabe

Das Drei-Komponent-System eines Windkraftrotors schließt mit der Rotornabe ab, worin die Rotorblätter mithilfe von Flanschen oder Anschlussbolzen verankert sind und die geerntete kinetische Windenergie zusammenfließt. Daher ist die Nabe auch das mechanisch am stärksten belastete Bauteil einer Windenergieanlage, weshalb außerordentlich hohe Qualitätsanforderungen an die Konstruktion gestellt werden. Als gängigstes Verfahren der Herstellung hat sich der Kugelgraphit- bzw. Sphäroguß durchgesetzt, welches nur von spezialisierten Gießereien durchgeführt werden kann. Dabei wird dem Stahl kugelförmiger Kohlenstoff beigemengt, der die Materialeigenschaften positiv beeinflusst und auf diese Weise für die späteren dynamischen Belastungen wappnet.

 

Maschinenhaus: Generator, Getriebe und Übertragung

Der Turmkopf besteht neben dem Rotor aus einer Gondel bzw. Maschinenhaus, welches eine Vielzahl für die Anlage unverzichtbarer Komponenten aufnimmt. Vor allem die zur Stromerzeugung unabdingbaren Bauteile befinden sich darin gebündelt. Diese im Turmkopf konzentrierte Anordnung hat sich trotz vergleichsweise höherer statischer Anforderungen an den Turm, aufwendigerer Konstruktion und Wartung durchgesetzt, da es die dynamischen Lasten bei der Übertragung der enormen Rotordrehmomente in die elektrischen Generatoren vermindert. Im Wesentlichen sind zwei verschiedene Bauformen im Umlauf.

Das ältere basiert auf einem linear angeordneten Getriebestrang, welcher von der Rotornabe ausgeht und die langsameren Rotorumdrehungen über ein abgestimmtes Übersetzungsverhältnis in die erforderliche Umdrehungsgeschwindigkeit eines schnelldrehenden Generator transformiert, der den Strom in der vorgeschriebenen Netzfrequenz von 50 Hertz bereitstellt. Ein Vorzug dieser Bauweise ist die vergleichsweise leichte Wartung, die direkten Zugang und Austausch aller einzelnen Komponenten gestattet sowie .

Das jüngere Konzept bedient sich eines direktangetriebenen, drehzahlvariablen Generators, der den erzeugten Strom mittels eines elektrischen Umrichters in die Netzfrequenz umwandelt. Obwohl solche Generatoren im Vergleich zu konventionellen Generatoren mit Getriebestrang größer und schwerer sind, bringt der Verzicht auf die hochkomplexe, stark belastete und dadurch schadenanfälligste Anlagenkomponente - nämlich das Getriebe - im Anlagenbetrieb langfristige Vorteile mit sich, die speziell in Verbindung mit den moderneren, kompakten Permanentmagnetgeneratoren zahlreiche Hersteller zur Nutzung dieses Modells veranlasst haben.

 

Turm

Die funktionalen Bauelemente der Stromproduktion, also insbesondere Rotor, Generator und ggf. Getriebe, werden im Turmkopf auf Masten von beträchtlicher Höhe installiert. Mithilfe der Masten sollen die größeren Durchschnittswindgeschwindigkeiten erschlossen werden, die in aller Regel in höheren Luftschichten vorliegen, wo der Luftstrom von hinderlichen Bodeneinflüssen weniger gebremst wird. Je rauer und unebener ein Untergrund ist und je größer und zahlreicher Objekte darauf vorkommen, die den Wind in seiner Bewegung verzögern, desto größere Höhen sind erforderlich, um dennoch für den Anlagenbetrieb wirtschaftliche Winddurchschnittsgeschwindigkeiten zu erlangen. Um sich diesen Effekt zu Nutze zu machen, sind in den vergangenen Jahrzehnten vielfältige technische Anstrengungen unternommen worden, um den Bau höherer und größerer Anlagen zu verwirklichen. Inzwischen liegen die durchschnittlichen Höhen neuer Binnenlandanlagen in Bayern bei fast 140 Metern Nabenhöhe.

Für den dauerhaften Betrieb einer Anlage spielt dabei die Steifigkeit des Turmes, also dessen Widerstandsfähigkeit gegenüber physikalischen Kräften, eine zentrale Rolle, weil die Türme über die gesamte Anlagenlaufzeit von mindestens 20 Jahren enormen Kräften ausgesetzt sind. Mit den gestiegenen Masthöhen wie auch Durchmessern der Rotoren und der damit verbundenen Masse der Gondeln neuerer Anlagen sind auch die einwirkenden Kräfte gewachsen, was die Anforderungen an die Masteigenschaften kontinuierlich steigerte. Ein wesentliches Kriterium für die Wahl einer Bauform ist, neben den Material- und Baukosten sowie der Steifigkeit, vor allem die Transportierbarkeit, die speziell bei sehr großen Turmelementen an schwierig erreichbaren Binnenlandstandorten - etwa im Wald oder Gebirge - verstärkt ins Gewicht fällt. Heutige Masten bestehen hauptsächlich aus Beton oder Stahl, entweder in Rein- oder in gemischten Bauformen, wobei die Vorteile von Beton, wie günstigere Materialkosten und der einfache Transport sowie rasche Aufbau vorgegossener Turmsegmente, die auch die Errichtung sehr hoher Masten gestatten, für dessen häufigere Verwendung sorgt. Inzwischen werden außerdem Pilotprojekte mit speziell entwickelten Holztürmen durchgeführt.

 

Fundament

Die Anbringung der Türme am Anlagenstandort erfolgt über ein Fundament, dessen Bauweise von der Untergrundbeschaffenheit und den rechnerisch höchsten zu erwartenden Schubkräften an der Anlage abhängt. Bei modernen Anlagen, deren Rotorblätter individuell auf die anliegenden Windgeschwindigkeiten eingestellt werden, liegt diese maximale Schubkraft im Betrieb bei der Nennwindgeschwindigkeit an, bei Anlagenstillstand richtet sich die Auslegung nach der höchsten am Standort absehbaren Windgeschwindigkeit, der sogenannten Überlebenswindgeschwindigkeit. Es wird des Weiteren zwischen Flachgründungen und Tiefgründungen unterschieden, letztere sind vor allem auf weicheren, instabileren Böden mit geringer Bodensteifigkeit, wie etwa Sandformationen, erforderlich. Dabei werden die eigentlichen Fundamente um eine Reihe von Bohrpfählen oder Rammgründungen ergänzt, welche, vom Anlagenfundament ausgehend, bis in tieferliegende, feste Bodenschichten eingebracht werden. Die Konstruktion der Fundamente selbst besteht allgemein aus einer Fundamentplatte, die sich aus einer geflochtenen Stahlarmierung, die anschließend mit Beton ausgegossen wird, und der Fundamentsektion des Turmes, an welcher der Turm mit der Armierung verbunden wird, zusammensetzt.

 


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