Allgemeiner Aufbau von Windkraftanlagen
Bevor eine genauere Differenzierung der Windkraftanlagen erfolgen kann, ist der allgemeine Aufbau zunächst näher zu betrachten. In ihrer heute vorrangigen Bauform verfügen die Windenergieanlagen über ein Fundament, einen Turm, eine Gondel sowie einen Rotor.
Eine Windenergieanlage kann auf zwei unterschiedlichen Fundamenten fußen. Auf der einen Seite werden die Flachfundamente dort eingesetzt, wo der Baugrund auch tragfähig ist. Dies ist besonders wichtig, da die Flachfundamente aus Stahlbeton bestehen und erst vor Ort gegossen werden. Um die notwendige Standfestigkeit des Turmes zu gewährleisten, wird als Verbindungsstück zwischen dem Turm und dem Flachfundament ein Fundamenteinbauteil angebracht. Ebenfalls verwendet werden kann ein eingearbeiteter Ankerkäfig, der mit Bolzen befestigt wird. Auf der anderen Seite kommen Tiefgründungen bzw. Pfahlfundamente immer dort zum Einsatz, wo der Baugrund besonders weich, wie zum Beispiel bei Mooren, ist. Die Montage dieser Fundamente erfolgt in mehreren Teilschritten. Zunächst werden ein oder auch mehrere Pfähle aus Stahlbeton mit Hilfe einer Ramme in den Baugrund eingebracht. Anschließend werden diese mit einer Stahlbetonplatte an der Oberfläche verbunden. Erst dadurch kann die notwendige Stabilität erreicht werden. Auf dieser Stahlbetonplatte wird im Anschluss der Turm der Windkraftanlage angebracht.
Nicht nur bei den Fundamenten stehen unterschiedliche Ausführungen zur Auswahl. Auch die einzelnen Sonderformen der Türme können an die jeweiligen äußeren Bedingungen angepasst werden. Die Türme müssen zwei besondere Merkmale erfüllen, die sich nicht nur auf die Leistungsfähigkeit und die Stabilität der Konstruktion sondern auch auf den Kostenfaktor auswirken. Zum einen brauchen die Türme von Windkraftanlagen eine ausreichende Höhe, um möglichst viel Windpotenzial nutzen zu können. Aus diesem Grund werden die abgespannten Masten lediglich für kleine Windkraftanlagen genutzt. Zudem müssen die Türme eine bestimmte Steifigkeit aufweisen. Ansonsten kann es zu irreparablen Schäden durch starke Winde kommen. Außerdem sind sie die Träger der Gondeln und Rotoren. Somit hat das Material, welches im Turm verbaut wird, einen wichtigen Einfluss auf die Gesamtkosten. Diese setzen sich in der Regel aus dem gesamten Materialaufwand, den Fertigungskosten, den Transportkosten, den Kosten für das jeweils erforderliche Fundament und dem jeweiligen Flächenbedarf zusammen.
Die Türme von Windkraftanlagen können als Gittermasten, konische Stahlrohrtürme, als Betontürme oder als Hybridtürme angelegt werden. Gittertürme bestehen aus Stahlprofilen, die miteinander verschraubt beziehungsweise verschweißt werden. Das stärkste Argument für einen Gitterturm sind die geringen Kosten, da der Turm regelmäßige Öffnungen in Form von Gittern aufweist und deshalb in der Summe nur ungefähr die Hälfte des Materials verwendet wird, welches für eine durchgehende Turmoberfläche erforderlich wäre. Kritik wird immer wieder an dieser Konstruktion aufgrund des Erscheinungsbildes geäußert. Die zweite Variante eines Turmes für eine Windkraftanlage ist der konische Stahlrohrturm. Die Bezeichnung ‚konischer Stahlrohrturm‘ beschreibt den Aufbau des Turmes, dessen Durchmesser zum Boden hin zunimmt. In der Regel werden die Türme von Windkraftanlagen mit konischem Stahlrohrturm in Einzelteilen bis zum Standort geliefert. Die Einzelsegmente haben dann eine Länge von jeweils 20 bis 30 Metern und haben an beiden Seiten Flansche. Diese ermöglichen ein Verschrauben der Einzelsegmente vor Ort.
Der zum Boden hin zunehmende Durchmesser des Turmes macht die gesamte Anlage widerstandsfähiger gegenüber den Witterungserscheinungen und bringt eine Materialersparnis. Denn je höher der Turm wird, desto geringer wird der Materialaufwand. Eine dritte Turmbauform ist der Betonturm, der wiederum in zwei verschiedenen Varianten genutzt werden kann. Der Ortbetonturm wird vor Ort im Gleitbauverfahren hergestellt, während Fertigbetonteilturm erst vor Ort zusammengesetzt wird. Die einzelnen Bauteile werden demzufolge erst an dem Ort, an welchem die Windkraftanlage entstehen soll, übereinander gesetzt und anschließend mit den inne liegenden Stahlseilen miteinander verspannt. Der Hybridturm kommt, im Vergleich zu den anderen Arten, nur selten zum Einsatz. Hybridtürme sind Kombinationen aus den bereits beschriebenen Turmformen. Die am meisten verwendete Bauweise als Hybridturm ist die Kombination aus einem Stahlrohrturm mit einem Betonsockel, dem sogenannten Betonrohr, welches sich am unteren Ende des Stahlrohrturmes befindet. In diesem Sonderfall wird ein Standard-Stahlrohrturm mit einem fünf Meter hohen Spannbetonsockel kombiniert. Dadurch wird eine höhere Nabenhöhe erreicht, ohne dass dafür eine neue Form des Stahlrohrturmes entwickelt werden muss.
Die Gondel, auch als Maschinenhaus bezeichnet, bildet hingegen den Grundrahmen, den Träger und die Verkleidung zur Aufnahme sowie für die Befestigung des Getriebes und des Generators. Sie dient zudem der Aufnahme aller an der Mast- beziehungsweise Turmspitze auftretenden Kräfte und Momente. Das bedeutet, dass die Gondel alle für den Betrieb einer Windenergieanlage erforderlichen Komponenten, wie die Antriebswelle, das Hauptlager, das Getriebe, den Generator, die Windrichtungsnachführung, die Steuerungs- und Sicherheitssysteme sowie teilweise den Transformator beinhaltet. An der Vorderseite der Antriebswelle, welche zur Energieübertragung dient, ist der Rotor befestigt. Dieser besteht wiederum aus der Nabe sowie aus, in der Regel, drei Rotorblättern.
Bei den Generatoren für Windenergieanlagen finden ebenfalls verschiedene Modelle Verwendung. Moderne Windkraftanlagen arbeiten in der Regel entweder mit Asynchron- oder Synchrongeneratoren.
Asynchrongeneratoren haben verschiedene Vorteile, durch welche sie sich im Betrieb bewährt haben. Sie haben sich in der Vergangenheit als kostengünstig, einfach und watungsarm herausgestellt. Zudem lassen sie sich einfach mit dem Stromnetz synchronisieren. Ein Nachteil bei diesen Generatoren ist jedoch, dass sie auf Blindstrom angewiesen sind. Als Blindstrom für der elektrische Strom verstanden, der zwischen dem Generator einer Windkraftanlage und dem Stromverbraucher lediglich hin- und herpendelt. Das bedeutet, dieser Strom belastet die Leitungen und führt bei der Energieübertragung sowie in den Generatoren zu größeren Energieverlusten. Blindstromgeneratoren haben hingegen nahezu keinen Blindstrombedarf. Kommt ein Generator mit einem Frequenzumrichter zum Einsatz, ist der Aufwand zwar höher, allerdings bietet diese Ausstattung den Vorteil eines drehzahlenvariablen Betriebs. Daraus ergeben sich dann meistens eine bessere Netzverträglichkeit sowie geringere mechanische Belastungen der Anlagenkomponenten. Handelt es sich bei einer Windenergieanlage um eine sogenannte stall-geregelte Anlage, werden pol-umschaltbare Generatoren genutzt. Das hat wiederum den Vorteil, dass die Anlage, abhängig von der Windgeschwindigkeit, in einer langsamen oder einer schnellen Generatorstufe arbeiten kann.
Der Rotor ist bei einer Windkraftanlage das auffälligste Merkmal. Er besteht wiederum aus Rotorblättern und einer Rotornabe. Die Rotorblätter sind essentiell für eine Windkraftanlage, da diese die Energie der sich bewegenden Luft, also des Windes, an den Generator weiterleiten. Durch die Bewegung innerhalb der Luft sind sie für einen Teil der sogenannten Betriebsgeräusche verantwortlich, weshalb eine fortwährende Optimierung der Geräuschminderung versucht wird. Zudem wird bezüglich des Wirkungsgrades ebenfalls immer fort nach Verbesserungsmöglichkeiten gesucht. Bei den heute üblichen Anlagengrößen weist der Rotor einen Durchmesser zwischen 40 und 90 Metern auf. Allerdings geht der Trend zu wachsenden Rotordurchmessern, um dadurch den Wirkungsgrad zu erhöhen. Zu Beginn des Jahres 2009 lag der größte Rotordurchmesser bei einem Wert von 127 Metern. Der dazugehörige Rotor ist Bestandteil der Enercon E-126. In der Regel werden die Rotorblätter aus glasfaserverstärktem Kunststoff hergestellt. Sie entstehen in der sogenannten Halbschalen-Sandwich-Bauweise und werden mit Versteifungsholmen oder-stegen ausgestattet. Der Begriff ‚Sandwichbauweise‘ bezieht sich auf eine besondere Vorgehensweise bei der Herstellung von Gegenständen. Mehrere Schichten, die unterschiedliche Eigenschaften aufweisen, werden in einem Werkstoff übereinander gelegt bzw. in diesen Werkstoff eingebettet.
Neben den Kunststofffasern fanden bei einigen Herstellern auch bereits Kohlefasern Eingang in die Rotorproduktion. Da die Rotorblätter in einer gewissen Höhe angebracht werden, müssen sie zudem mit einem Blitzschutz ausgestattet werden, der die Entladung an die Erdung des Maschinenhauses abgibt. Trotzdem treten verschiedene Erscheinungen an den Rotorblättern auf, die zu Problemen während des Betriebs oder auch zu Materialschäden führen können. Beispielsweise kann sich an den Rotorblättern, aufgrund der geringen Temperatur, Eis bilden. Infolge der Einbildung kommt es zu einer Verringerung des Wirkungsgrades, da die Eisablagerungen zu einer Änderung der aerodynamischen Beschaffenheit der Blätter führen. Zusätzlich kann es zu einer Unwucht des Rotors kommen, da die Masse der Rotorblätter dann nicht mehr rotationssymmetrisch verteilt ist. Bilden sich größere Einbrocken an den Rotorblättern kann dies sogar zu einer unkalkulierbaren Gefahr für die unmittelbare Umgebung werden. Tritt der Eisbruch auf, fallen die Brocken auf die Erde und können Schäden verursachen. Besonders prekär ist die Situation in solchen Fällen unter den Rotorblättern. Zwar wurden bislang mehrere Fälle von Eisbruch dokumentiert, Personenschäden wurden bislang genauso wenig verzeichnet wie Sachschäden. Trotzdessen stellen diese Szenarien eine reale Gefährdung dar. Das Phänomen der Eisbildung tritt allerdings selten und nur bei bestimmten Wetterlagen auf. In der Regel sind die Windenergieanlagen mit einer Vorrichtung ausgestattet, die eine automatische Abschaltung bei Eisansatz ermöglicht. Besteht die Gefahr des Eisansatzes, kann dieser durch die Veränderung der intern aufgezeichneten Leistungskurve bemerkt werden. Die Leistungskurve verändert sich, da die erbrachte Leistung der Anlage und der bestehende Wind aufgrund der aerodynamischen Veränderungen nicht mehr zusammen passen. Weitere Indikatoren für Eisansatz sind Temperaturschwankungen sowie das Auftreten einer Unwucht am Rotor. Manche Firmen haben sich dieses Problems angenommen und Rotorblätter entwickelt, die mit einer Heizungsanlage versehen werden können, damit es nicht zu dem beschriebenen Phänomen kommen kann. De Heizung verbraucht je Rotorblatt Energie im ein- bis zweistelligen Kilowattbereich. Verglichen mit der erzeugten Leistung ist der Aufwand jedoch gering. Eine andere Möglichkeit, den Eisansatz zu verringern oder das Abtauen zu beschleunigen, ist die Blattheizung, welche die Abluft aus der Gondel in die einzelnen Rotorblätter pumpt. Dann kann die Abwärme sowohl vom Generator als auch vom Stromwandler genutzt werden.
Bauformen
Soll mit Hilfe der Windenergieanlagen Strom erzeugt werden, werden die Anlagen mit einer horizontalen Rotationsachse präferiert. Eine andere Bauform beinhaltet die vertikale Rotationsachse. Abhängig von den vorherrschenden Standortbedingungen können diese sogar gute Alternativen zu Anlagen mit horizontaler Rotationsachse sein.
Horizontale Rotationsachse
Ist die Gondel mit einem sogenannten Azimutlager horizontal beweglich auf dem Turm angebracht, dann handelt es sich um eine Windkraftanlage mit einer horizontalen Rotationsachse. Derartige Anlagen müssen dem Wind nachgeführt werden. Das heißt, dass zunächst die Windrichtung mit Hilfe eines Windrichtungsgebers ermittelt wird. Vor allem bei großen Anlagen wird auf diese Weise verfahren. Anschließend übernehmen die sogenannten Stellmotoren die Ausrichtung des Rotors in Windrichtung. Befindet sich der Rotor auf der dem Wind zugewandten Seite, dann handelt es sich dabei um einen Luvläufer. Ist der Rotor jedoch auf der windabgewandten Seite angebracht, ist die Rede von einem Leeläufer. Leeläufer haben den Vorteil, dass bei kleinen Windkraftanlagen auf den Windnachführungsmechanismus verzichtet werden kann, da der Wind den Rotor automatisch in die richtige Richtung dreht. Somit erfolgt eine passive Windnachführung. Zudem ist die Gefahr, dass ein Rotorblatt den Turm der Windkraftanlage berührt, wesentlich geringer als bei einer anderen Ausführung. Unstetigkeiten bei der Rotordrehzahl, mechanische Schwingungs-Erscheinungen sowie elektrische Schwankungen haben jedoch verhindert, dass sich die Technik für große Anlagen durchsetzen konnte. Diese Phänomene treten auf, wenn ein Rotorblatt den Windschatten des Turmes passiert und kurzzeitig Schwankungen des Antriebdrehmoments auftreten.
Vertikale Rotationsachse
Windkraftanlagen mit vertikaler Rotationsachse sind unter anderem der Savonius-Rotor und der Darrieus-Rotor.
Der Savonius-Rotor besteht aus zwei an einer vertikalen Rotorachse angebrachten, waagerechten Kreisschreiben, zwischen denen zwei oder auch mehrere halbkreisförmige gebogene Schaufeln angebracht sind. Zudem stehen sie Schaufeln bzw. Flügel senkrecht und sind versetzt zueinander angeordnet. Die Anordnung hat zur Folge, dass ein Teil des auf die Schaufeln treffenden Windes umgeleitet wird und auf die Rückseite einer der rückseitig konkaven Schaufeln einwirken kann. Dem Wirkungsgrad liegen die Wirkprinzipien des aerodynamischen Auftriebs sowie des widerstandsbedingten Vortriebs zugrunde. Die mittlere Schnelllaufzahl eines Savonius-Rotors liegt bei 1,6. Der maximale Wirkungsgrad liegt bei 28 Prozent. Die Laufrichtung eines derartigen Rotors kann während der Planung und Herstellung durch die Anordnung der Schaufelsegmente in rechts- oder linkslaufend festgelegt werden. Einige Modell zeichnen sich zudem durch eine pendelnde Aufhängung, ein sogenanntes Kardangelenk, aus. Damit kann die Biegekraft bei langen und schweren Rotoren verringert werden. Allerdings hat dies den Nachteil, dass sich der Wirkungsgrad wesentlich reduziert. Denn durch die pendelnde Aufhängung weichen die Schaufeln der treibenden Bewegung aus, wodurch in der Folge die die im Drehsinn wirkende Hebelkraft auf die Rotationsachse verloren geht.
