Teil 2: Regelung, Stromerzeugung und Konstruktion des Triebstranges

Verstellung der Rotorblätter

Damit die Leistung stufenlos geregelt werden kann, müssen die Rotorblätter in der Längsachse gedreht werden (Pitch-Verstellung). Der am Rotorblatt fixierte Pitch-Antrieb stellt den Blattwinkel so ein, dass das Rotorblatt stets vom resultierenden Wind (siehe Bild 4 in [1]) ideal umströmt wird, dass also die Auftriebskräfte maximal werden.

Sobald die Nennleistung erreicht ist, wird das Rotorblatt langsam „aus dem Wind gedreht“, sodass die Strömung auf der gewölbten Oberseite des Rotorblattes abreißt und dem Wind immer kleinere Energieanteile entzogen werden. Bei weiter wachsender Windgeschwindigkeit wird der Blattwinkel so nachjustiert, dass die Leistung möglichst konstant nahe der Nennleistung bleibt. Dies dient dem Schutz des Triebstranges und der gesamten Anlage vor Überlastung.

Die Verstellung der Rotorblätter kann elektrisch oder hydraulisch erfolgen. Die dafür erforderlichen Stellantriebe (elektrisch oder hydraulisch) sind in der Nabe untergebracht, denn sie drehen sich mit dem Rotor mit. Sie verfügen über eine autarke Energieversorgung und können im Notfall, auch bei Stromausfall, die Rotorblätter aus dem Wind drehen, um den Rotor abzubremsen. Die Pitch-Regelung wirkt also zugleich als Hauptbremse.

In den meisten Windturbinen werden die Rotorblätter unabhängig voneinander durch einen eigenen Elektromotor, der auch eine eigene Notstromversorgung hat, angetrieben. Diese dreifache Hauptbremse macht eine zweite Notbremse (zum Beispiel eine Scheibenbremse im Triebstrang) überflüssig. Es genügt dann eine kleine Scheibenbremse, die vor allem als Feststellbremse während der Servicearbeiten dient.

Stall- und Pitchregelung im Vergleich

Ein Vergleich der Leistungskurven (Bild 1) zeigt, dass die Pitchregelung einen weiteren wichtigen Vorteil bietet. Die Leistungsabregelung durch den Stall-Effekt bewirkt ein Absinken der Leistung oberhalb der Nennleistung. Außerdem wird die Nennleistung nicht immer so genau erreicht wie im Bild dargestellt. Es kann auch vorkommen, dass die Nennleistung weit übertroffen und die Windturbine übermäßig belastet wird.

Die Leistungsregelung durch Blatteinstellung kann nicht nur verhindern, dass die Windturbine oberhalb der Nennleistung betrieben wird, sondern sie kann auch die Leistung bei weiter auffrischendem Wind konstant halten. An stürmischen Tagen speisen die Windparks einer Region den Strom mit nahezu konstanter Leistung ins Netz ein.

Sobald die Windgeschwindigkeit 25 m/s erreicht, dreht die Pitch-Regelung die Rotorblätter „aus dem Wind“ (siehe oben) und regelt die Leistung der Windturbine gegen Null. Damit nicht alle Windturbinen einer Region gleichzeitig abschalten und dadurch einen schlagartigen Leistungsabfall im Netz hervorrufen, geht man dazu über, die Leistung oberhalb von 25 m/s langsam herunterzuregeln, sodass erst bei etwa 30 m/s der Nullpunkt erreicht ist.

Synchron- und Asynchronmaschinen

Als Generatoren zur mechanisch-elektrischen Energiewandlung kommen praktisch nur Drehfeldmaschinen zum Einsatz, also Asynchrongeneratoren und Synchrongeneratoren mit entweder vollständiger oder teilweiser Umrichterkopplung. Die anfangs vorherrschende direkte Netzanbindung ist mit den Stall-Anlagen aus dem Markt verschwunden.

Drehstromgeneratoren besitzen ein rotierendes Magnetfeld (Drehfeld). Dieses kann durch Drehung von Permanentmagneten oder durch rotierende Erregerwicklungen mit Hilfe einer Stromzuführung über Bürsten und Schleifringe hervorgerufen werden. Diese Drehfelder erzeugen in den Statorwicklungen elektrische Spannungen und Ströme mit einer dem Drehfeld synchronen Frequenz.