Rotor, Generator und Getriebe: Windkraftanlagen und ihre Bauteile

Methoden zur Energiegewinnung ohne fossile Brennstoffe werden mehr und mehr zu einer Notwendigkeit. Entsprechend kommt der Nutzung von Windenergie immer größere Bedeutung zu. Doch welche Funktionsweisen stecken hinter der zukunftsweisenden Technologie? Erfahren Sie in diesem Beitrag die wichtigsten Informationen zu einzelnen Komponenten wie Rotor, Generator und Getriebe einer Windkraftanlage sowie deren Funktionsweisen.

Funktionsweise von Windkraftanlagen: die Basics

Um den weltweit steigenden Energieverbrauch zu decken, ohne dabei den kontinuierlich fortschreitenden Klimawandel weiterzutreiben, sind alternative Energiequellen notwendig. Als eine der vergleichsweise kostengünstigsten Optionen für die Gewinnung erneuerbarer Energien haben Windkraftanlagen im Lauf der vergangenen Jahre massiv an Wichtigkeit gewonnen. Doch wie genau funktionieren Sie?

Windkraftanlagen wandeln die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie um. Sie bestehen typischerweise aus einem Turm, auf dessen Spitze ein Rotor mit zwei oder mehr Flügeln montiert ist. Die Grundfunktion einer Windkraftanlage sieht wie folgt aus:

• Trifft Wind auf die Rotorblätter, erzeugen diese eine Rotationsbewegung.
• Diese Bewegung wird wiederum an einen Generator im Inneren des Maschinenhauses am oberen Ende des Turms weitergeleitet.
• Der Generator wandelt die kinetische Energie der Rotationsbewegung in elektrische Energie um.
• Diese elektrische Energie wird dann über das Stromnetz verteilt.

Windkraftanlagen eignen sich für die Verwendung in allen Klimazonen – sowohl onshore (auf dem Festland) als auch offshore (auf dem Meer). Sie bieten eine saubere, erneuerbare Energiequelle, die dazu beiträgt, die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern und Treibhausgasemissionen zu reduzieren. 

Nun, da die Basisfunktion der Anlagen geklärt ist, wird es Zeit für Details – in Folge erfahren Sie, aus welchen Komponenten eine Windkraftanlage besteht.

Daraus besteht eine Windkraftanlage: Komponenten

Eine Windkraftanlage setzt sich aus mehreren Schlüsselkomponenten zusammen, die für ihren Betrieb entscheidend sind:

• Die Basis bilden das Fundament und der darauf angebrachte Turm. Dieser sorgt für die erforderliche Höhe, um den Rotorblättern Zugang zu stärkeren und konstanteren Windgeschwindigkeiten in größeren Höhen zu ermöglichen.
• Am oberen Ende des Turms befindet sich das Maschinenhaus (auch bekannt als Gondel), welches wichtige mechanische und elektrische Komponenten beherbergt – hier befinden sich beispielsweise der Generator, das Getriebeund die Bremse.
• Zuletzt findet man an der Spitze des Turms, an der Vorderseite der Gondel, den Rotor. Dieser setzt sich aus der Rotornabe und den daran befestigten Rotorblättern zusammen. Auch das Pitch-Control-System befindet sich – sofern vorhanden – hier.

Welche Funktionen haben all diese einzelnen Bestandteile und wie wirken sie zusammen, um Energie zu gewinnen? Mehr über die wichtigsten Komponenten einer Windkraftanlage und ihre jeweiligen Aufgaben erfahren Sie in Folge.

Die Basis: Fundament und Turm

Das Fundament einer Windkraftanlage besteht in der Regel aus Stahl und Beton. Es wird tief in den Boden eingelassen, um eine feste Verankerung zu gewährleisten. Der genaue Aufbau des Fundaments hängt davon ab, um was für eine Art von Anlage es sich handelt – onshore oder offshore.

Auf dem Fundament steht der Turm, das größte und schwerste Element der Anlage. Dieser verbindet das Fundament mit der Gondel und dient dazu, den Rotor in eine optimale Höhe zu bringen. Im Inneren des Turms befinden sich in der Regel eine Aufstiegseinrichtung für Wartungszwecke und elektrische Kabel, die den Strom vom Generator in der Gondel zum Boden leiten. Die Materialwahl und die Form des Turms werden sorgfältig auf den Standort und die spezifischen Anforderungen der Anlage abgestimmt.

Im Maschinenhaus: Bremse, Generator und Getriebe der Windkraftanlage

Das Maschinenhaus oder die Gondel einer Windkraftanlage liegt an der Spitze des Turms. Dieses ist das Herzstück der Anlage, in dem sich die wichtigsten mechanischen und elektrischen Komponenten befinden. Dazu gehören unter anderem die folgenden:

Getriebe und Generator

Im Inneren der Gondel sind der Generator, der für die Umwandlung der Bewegungsenergie zuständig ist, und das Getriebe, das die Drehzahl der Rotorblätter an jene des Generators anpasst, untergebracht.

• Der Generator hat die Aufgabe, die Bewegungsenergie, die durch die Drehung der Rotorblätter erzeugt wird, in elektrische Energie umzuwandeln. Diese wird von hier aus nach unten geleitet und in ein Stromnetz eingespeist.
• Das Getriebe der Windkraftanlage spielt für diesen Prozess eine entscheidende Rolle. Denn es verändert das Drehmoment zwischen Rotor und Generator – ein notwendiger Schritt für die Energiegewinnung. Wie genau funktioniert das? Das Getriebe erhöht die niedrige Drehgeschwindigkeit der Rotorblätter auf eine höhere, für den Generator erforderliche Geschwindigkeit und leitet sie weiter.

Um ein optimales Zusammenspiel von Getriebe und Generator zu gewährleisten, braucht es eine weitere wichtige Komponente im Maschinenhaus: die Kupplung.

Die Kupplung der Windkraftanlage

Bei konventionellen Getriebeantrieben und Semidrive-Anlagen bildet in der Regel eine Kupplung die Verbindung zwischen Getriebe und Generator – sie dient als Verbindungselement zwischen den Komponenten, das Überbelastungen durch unzulässig hohe Drehmomentspitzen vermeidet. Durch diese Kupplung in der Windkraftanlage werden Getriebe und Generator also vor Überlast geschützt und der reibungslose Betrieb gewährleistet.

Neben der Kupplung zwischen Getriebe und Generator werden in Windkraftanlagen übrigens auch an anderen Stellen häufig Kupplungen eingesetzt. Denn abgesehen von der Verwendung als Überlastschutz für den Hauptantrieb bieten sie sich hier auch noch für folgende sekundäre Anwendungsbereiche an:

• Sicherheitskupplungen für Turmaufzüge und Steighilfen
• schaltbare Kupplungen für die Antriebe von Installations- und Wartungsplattformen
• präzise Kupplungen für exakte Messergebnisse in der Prüfstandtechnik

Auch in all diesen sekundären Antriebssystemen sind Kupplungen wichtig, um Fehlausrichtungen und mechanische Belastungen zu minimieren und so die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Anlagenkomponenten zu erhöhen.

Die Bremse der Windkraftanlage: Funktion

Ein weiterer wichtiger Faktor für den sicheren und effizienten Betrieb ist die Windkraftanlagen-Bremse. Auch diese befindet sich in der Gondel und ist ein essenzieller Bestandteil, der die Langlebigkeit der Windkraftanlage sicherstellt. Hier kommen je nach Größe der jeweiligen Anlage unterschiedliche Systeme zum Einsatz:

• Kleinere Windkraftanlagen sind mit einer Bremse ausgestattet, durch die die Rotationsgeschwindigkeit direkt kontrolliert werden kann. So kann der Rotor bei Bedarf sicher zum Stillstand gebracht werden.
• Bei großen Windkraftanlagen wird dagegen nicht direkt gebremst: Hier ist in der Regel das ganze Maschinenhaus drehbar – seine Position kann mithilfe von Elektromotoren im Inneren (dem sogenannten Yaw-Antrieb) an die Windrichtung angepasst werden. Die Motoren sind mit Bremsen versehen, durch die die Gondel bei Bedarf in Position gehalten wird.

Warum ist es so wichtig, eine Windkraftanlage aus dem Wind nehmen oder vollständig abbremsen zu können? So kann eine Überdrehung der Anlage (und potenziell daraus resultierende Schäden) bei starken Windverhältnissen oder im Falle technischer Probleme verhindert werden. Die Bremsen von Windkraftanlagen tragen somit wesentlich zu deren Betriebssicherheit bei.

Nach der Gondel: der Rotor

Der oberste Teil der Windkraftanlage, der Rotor, ist eine Schlüsselkomponente für die Umwandlung der kinetischen Energie des Windes in elektrische Energie. Er setzt sich in der Regel aus mehreren Rotorblättern und einer Rotornabe zusammen. 

• Die Rotorblätter, meistens zwei oder drei an der Zahl, sind aerodynamisch gestaltet, um den Wind effizient einzufangen und in eine Drehbewegung umzusetzen. 
• Die Rotornabe verbindet die Rotorblätter mit den anderen Komponenten der Windkraftanlage und überträgt die durch die Blätter erzeugte Rotationsbewegung auf das Getriebe und den Generator. 

Bei vielen Anlagen ist die Rotornabe Teil eines Pitch-Control-Systems, das den Winkel jedes Rotorblatts individuell anpassen kann, um die Rotationsgeschwindigkeit zu regulieren und die Energieausbeute zu optimieren. Dies ist besonders wichtig, um bei unterschiedlichen Windverhältnissen eine konstante und effiziente Leistung zu gewährleisten und die Anlage vor Schäden durch zu starke Winde zu schützen.

Vom Fundament bis zum Getriebe: Windkraftanlagen erfordern ein perfektes Zusammenspiel

Die einzelnen Komponenten einer Windkraftanlage müssen nicht nur individuell leistungsstark, sondern auch perfekt aufeinander abgestimmt sein. Denn nur so ist die optimale Leistung, Sicherheit und Langlebigkeit der Anlage gewährleistet. Vom Rotor über den Generator bis hin zum Getriebe: Windkraftanlagen erfordern ein perfektes Zusammenspiel all ihrer Komponenten.

_{Bild 1: © Yanniklab – stock.adobe.com; Bild 3: © Tarnero – stock.adobe.com}