Arbeitsprinzip der Windturbine

Wie funktioniert eine Windkraftanlage?

Am oberen Ende eines ausreichend hohen Stützturms ist eine Luftturbine mit großen Flügeln angebracht. Wenn der Wind auf die Turbinenflügel trifft, dreht sich die Turbine aufgrund des Designs und der Ausrichtung der Rotorblätter. Der Wellenstrang der Turbine ist mit einem Elektrogenerator verbunden. Das Ausgangssignal des Generators wird über elektrische Leitungen abgegriffen.

Funktionsweise einer Windkraftanlage

Wenn der Wind auf die Rotorblätter trifft, beginnen diese sich zu drehen. Der Turbinenrotor ist mit einem Hochgeschwindigkeitsgetriebe verbunden. Das Getriebe wandelt die Rotordrehung von niedriger Geschwindigkeit in hohe Geschwindigkeit um. Die Welle vom Getriebe ist mit dem Rotor des Generators verbunden, sodass der Elektrogenerator mit höherer Geschwindigkeit läuft. Ein Anreger ist erforderlich, um die notwendige Erregung für die magnetische Spule des Generatorfeldsystems zu liefern, damit es die benötigte Elektrizität erzeugen kann. Die an den Ausgangsklemmen des Wechselstromgenerators erzeugte Spannung ist proportional sowohl zur Drehzahl als auch zum Feldfluss des Wechselstromgenerators. Die Drehzahl wird durch die Windkraft bestimmt, die nicht kontrollierbar ist. Um die Gleichmäßigkeit der Ausgangsleistung des Wechselstromgenerators zu gewährleisten, muss die Erregung entsprechend der Verfügbarkeit der natürlichen Windkraft gesteuert werden. Der Anregerstrom wird durch einen Turbinensteuerer gesteuert, der die Windgeschwindigkeit erfasst. Dann wird die Ausgangsspannung des Elektrogenerators (Wechselstromgenerator) an einen Gleichrichter geleitet, wo die Ausgangsspannung des Wechselstromgenerators in Gleichstrom umgewandelt wird. Dieser umgewandelte Gleichstrom wird dann an eine Netzwerkkonvertereinheit weitergeleitet, um ihn in stabilisierten Wechselstrom umzuwandeln, der letztendlich entweder in das elektrische Übertragungsnetz oder in das Übertragungsnetz mit Hilfe eines Spannungswandlers eingespeist wird. Eine zusätzliche Einheit wird verwendet, um die Energie für interne Hilfsaggregate der Windkraftanlage (wie Motoren, Batterien usw.) bereitzustellen. Diese Einheit wird als interne Versorgungseinheit bezeichnet.
Es gibt zwei weitere Steuermechanismen, die an modernen großen Windkraftanlagen angebracht sind.

• Steuerung der Ausrichtung der Turbinenflügel.

• Steuerung der Ausrichtung des Turbinengesichts.

Die Ausrichtung der Turbinenflügel wird vom Basisdrehzapfen der Flügel aus gesteuert. Die Flügel sind mit Hilfe einer rotierenden Anordnung durch Zahnräder und kleine Elektromotoren oder hydraulische Drehmechanismen am zentralen Drehzapfen befestigt. Das System kann je nach Design elektrisch oder mechanisch gesteuert werden. Die Flügel werden je nach Windgeschwindigkeit gedreht. Diese Technik wird Pitch-Steuerung genannt. Sie sorgt für die optimale Ausrichtung der Turbinenflügel in Richtung des Windes, um die maximale Windenergie zu erzielen.

Die Ausrichtung der Nacelle oder des gesamten Körpers der Turbine kann der Veränderung der Windrichtung folgen, um die mechanische Energiegewinnung aus dem Wind zu maximieren. Die Windrichtung sowie ihre Geschwindigkeit wird durch einen Anemometer (automatische Geschwindigkeitsmessvorrichtung) mit Windfahnen, die an der Rückseite der Nacelle angebracht sind, erfasst. Das Signal wird an ein mikroprozessorgesteuertes Steuersystem zurückgeführt, das den Yaw-Motor steuert, der die gesamte Nacelle mit Hilfe eines Getriebes so dreht, dass sie in Richtung des Windes ausgerichtet ist.
Ein interner Blockschaltbild einer Windkraftanlage