Grundlegende Bauweise einer Windkraftanlage
Hauptkomponenten einer Windturbine
Turm der Windturbine
Der Turm ist ein sehr wichtiger Bestandteil der Windturbine, der alle anderen Teile stützt. Er stützt nicht nur die Turbine, sondern hebt sie auch auf eine ausreichende Höhe, damit die Spitzen der Rotorblätter während der Rotation in sicherer Höhe sind. Darüber hinaus müssen wir die Höhe des Turms so halten, dass er starken Wind erreicht. Die Höhe des Turms hängt letztendlich von der Leistungsfähigkeit der Windturbine ab. Die Türme in kommerziellen Windkraftanlagen reichen normalerweise von 40 Metern bis 100 Metern. Diese Türme können entweder röhrenförmige Stahltürme, Gittertürme oder Betontürme sein. Für große Windturbinen verwenden wir einen röhrenförmigen Stahlturm. Diese werden normalerweise in Abschnitten von 30 bis 40 Metern Länge hergestellt.
Jeder Abschnitt hat Flansche mit Löchern. Solche Abschnitte werden am Standort durch Muttern und Bolzen zusammengefügt, um einen vollständigen Turm zu bilden. Der vollständige Turm hat eine leicht kegelförmige Gestalt, um eine bessere mechanische Stabilität zu gewährleisten. Ein Gitterturm wird aus verschiedenen Stahl- oder GI-Winkeln oder -Rohren zusammengesetzt. Alle Elemente werden durch Bolzen oder Schweißungen zu einem Turm der gewünschten Höhe verbunden. Die Kosten dieser Türme sind viel geringer als die von röhrenförmigen Stahltürmen, aber sie sehen ästhetisch nicht so gut aus wie Stahltreppentürme. Obwohl Transport, Montage und Wartung relativ einfach sind, wird der Einsatz von Gittertürmen in modernen Windkraftanlagen aufgrund ihres ästhetischen Aussehens vermieden. Es gibt noch eine andere Art von Turm, der für kleine Windturbinen verwendet wird, und das ist der guyed pole Turm. Ein guyed pole Turm ist ein einzelner vertikaler Pfahl, der von verschiedenen Seiten durch Stützseile gestützt wird. Aufgrund der Anzahl der Stützseile ist es schwierig, den Fundamentbereich des Turms zu erreichen. Deshalb wird dieser Typ von Turm in landwirtschaftlichen Gebieten vermieden.
Es gibt noch eine andere Art von Windturbinenturm, der für kleinere Anlagen verwendet wird, und das ist der hybride Turm. Ein hybrider Turm ist ebenfalls ein guyed Turm, aber der einzige Unterschied besteht darin, dass anstelle eines einzelnen Pfahls in der Mitte ein dünner und hoher Gitterturm verwendet wird. Ein hybrider Turm ist eine Kombination aus Gitter- und guyed Turm.
Gondel der Windturbine
Die Gondel ist eine große Box oder Kabine, die auf dem Turm sitzt und alle Komponenten der Windturbine beherbergt. Sie enthält einen elektrischen Generator, einen Leistungssteller, ein Getriebe, einen Turbinensteuerung, Kabel und eine Nabensteuerung.
Rotorblätter der Windturbine
Die Rotorblätter sind die Hauptmaschinenteile einer Windturbine. Die Blätter wandeln Windenergie in nutzbare mechanische Energie um. Wenn der Wind auf die Blätter trifft, drehen sich die Blätter. Diese Rotation überträgt ihre mechanische Energie auf die Welle. Die Blätter sind wie Flugzeugflügel konstruiert. Die Rotorblätter einer Windturbine können 40 Meter bis 90 Meter lang sein. Die Blätter müssen mechanisch stark genug sein, um selbst bei starkem Wind, sogar während eines Sturms, standzuhalten. Gleichzeitig sollten die Rotorblätter so leicht wie möglich gebaut werden, um eine glatte Drehung der Blätter zu ermöglichen. Dafür werden die Blätter aus Fiberglas und Kohlenstofffaserschichten auf synthetischem Verstärkungsmaterial hergestellt.
In einer modernen Turbine werden normalerweise drei identische Blätter mit Muttern und Bolzen an einem zentralen Hub montiert. Jedes identische Blatt ist um 120° zum nächsten ausgerichtet. Dieser Vorgang sorgt für eine bessere Massenverteilung und gibt dem System eine glattere Drehung.
Welle der Windturbine
Die Welle, die direkt mit dem Hub verbunden ist, ist eine niedriggeschwindigte Welle. Wenn die Blätter rotieren, dreht sich diese Welle mit der gleichen Umdrehungszahl wie der rotierende Hub. Wir koppeln diese Welle direkt an den elektrischen Generator, wenn es sich um einen niedriggeschwindigten Generator handelt. In den meisten Fällen jedoch wird die niedriggeschwindigte Hauptwelle über ein Getriebe mit einer hochgeschwindigten Welle gekoppelt. Auf diese Weise überträgt die Rotorblätter ihre mechanische Energie an die Welle, die letztendlich in den elektrischen Generator eingeht.
Getriebe
Die Windturbine dreht sich nicht mit hoher Geschwindigkeit, sondern eher sanft mit geringer Geschwindigkeit. Aber die meisten elektrischen Generatoren benötigen eine hohe Drehzahl, um Strom auf einem gewünschten Spannungsniveau zu erzeugen. Es muss also eine Geschwindigkeitsvervielfachungsvorrichtung vorhanden sein, um die hohe Geschwindigkeit der Generatorwelle zu erreichen. Das Getriebe der Windturbine übernimmt diese Aufgabe. Das Getriebe erhöht die Geschwindigkeit auf einen viel höheren Wert. Zum Beispiel, wenn das Getriebeverhältnis 1:80 beträgt und die Umdrehungszahl der niedriggeschwindigten Hauptwelle 15 ist, erhöht das Getriebe die Geschwindigkeit der Generatorwelle auf 15 × 80 = 1200 Umdrehungen pro Minute.
Generator
Der Generator ist ein elektrisches Gerät, das die von der Welle erhaltenen mechanischen Energie in elektrische Energie umwandelt. Normalerweise verwenden wir Induktionsgeneratoren in modernen Windturbinen. Früher waren Synchrongeneratoren für diesen Zweck beliebt. Permanentmagnet-DG-Generatoren werden auch in manchen Windturbinen verwendet. Die Geschwindigkeit der Welle kann durch die Verwendung eines Getriebebausatzes erhöht werden, aber wir können die Wellengeschwindigkeit nicht konstant halten. Es kann Schwankungen in der Wellengeschwindigkeit geben, da sie von der Windgeschwindigkeit abhängt. Daher variiert auch die Geschwindigkeit des Rotors. Diese Variation beeinflusst die Frequenz und Spannung des erzeugten elektrischen Stroms. Um diese Probleme zu überwinden, verwenden wir normalerweise einen Induktionsgenerator für diesen Zweck.
Denn der Induktionsgenerator erzeugt immer elektrischen Strom, der mit dem angeschlossenen Netz synchronisiert ist, unabhängig von der Geschwindigkeit des Rotors. Wenn wir einen Dreiphasen-Synchrongenerator verwenden, dann rektifizieren wir die Ausgangsleistung zu DC und konvertieren sie dann mithilfe eines Inverter-Schaltkreises in AC mit der gewünschten Spannung und Frequenz. Denn der Wechselstrom, der vom Synchrongenerator erzeugt wird, ist nicht konstant in Spannung und Frequenz, sondern variiert mit der Geschwindigkeit des Rotors. Aus diesem Grund verwenden wir in einigen Fällen einen DG-Generator für diesen Zweck. In diesen Fällen wird die ausgehende DC-Leistung vom Generator in AC mit der gewünschten Spannung und Frequenz invertiert, bevor sie ins Netz eingespeist wird.
Leistungswandler
Da der Wind nicht immer konstant ist, ist auch die elektrische Spannung, die vom Generator erzeugt wird, nicht konstant, aber wir benötigen eine sehr stabile Spannung, um sie ins Netz einzuspeisen. Ein Leistungswandler ist ein elektrisches Gerät, das die aus dem Generator kommende Wechselspannung stabilisiert.
