Windkraft Generator

Windenergie-Generator

Der Antriebsstrang einer Windkraftanlage ist die kraftübertragende rotierende Komponente vom Rotor zum Generator. Der kleine, robuste Generator ist ideal für den Einstieg in die Windenergie. Kraftwerk Der Antriebsstrang einer Windenergieanlage ist die kraftübertragende rotierende Komponente vom Läufer zum Generator. Die in der Regel aus drei Rotorschaufeln und der Radnabe bestehende Maschine wandelt die Aerodynamik in die Mechanik der rotierenden Welle um (siehe Energieumwandlung). Dieser muss zum einen montiert werden und zum anderen die Rotationsbewegung an das Zahnradgetriebe oder bei Gearless-Systemen vorgeben.

Zu den weiteren Bestandteilen gehören neben den Schaltkupplungen und Bremse auch der Generator selbst, der die mechanischen Kräfte in elektrischen Strom umwandelt. Man unterscheidet vor allem nach Antriebssträngen mit und ohne Zahnräder, nach den Lagerungen und nach der Reihenfolge der Hauptbestandteile. Aufgelösten Ausführungen haben ein separates Lager mit zwei Kugellagern (Fest- und Loslager) und ein leicht zugängliches Zahnradgetriebe, das sowohl auf der Langsamwelle als auch auf der Schnellwelle mit je einer Verbindung integriert ist.

Die halbintegrierte Ausführung wird verwendet, wenn ein Teil des Lagers in das Gehäuse des Getriebes eingebaut und vom Gehäuse getragen wird. Sämtliche Funktionalitäten sind in das Getriebesystem bzw. bei Gearless-Systemen in die Rotor-Generator-Einheit eingebunden. Bei der überwiegenden Mehrzahl der Hersteller von Windkraftanlagen kommen Zahnräder zum Einsatz, die die Geschwindigkeit und das Moment zwischen Rotor und Generator umstellen.

Der Rotor rotiert mit einem sehr großen Moment und der Generator sehr rasch mit einem kleinen Tor. Zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgrades und zur Anpassung an die Netzspannung (in der Regel 50 oder 60 Hz) sowie zur Verkleinerung des Aggregates muss die Drehzahl des Aggregates wesentlich höher sein als die der Rotoren.

Der Drehzahlbereich des Generators beträgt zwischen 900 und 2000 Umdrehungen pro Sekunde. Das Getriebe wird durch das erforderliche Getriebeübersetzungsverhältnis zwischen Läufer und Generatorenwelle festgelegt. Bei großen Systemen sind Übersetzungen von ca. 1:100 gebräuchlich. Ein Windkraftgetriebe hat einen sehr hohen Wirkungsgradwert (um 98 Prozent). Durch die enorme Übertragungsleistung großer Windenergieanlagen (mehrere Megawatt) sind auch die Schäden verhältnismäßig groß.

Daraus resultieren hauptsächlich Verlustwärme, weshalb das Zahnradgetriebe bzw. das Schmieröl im Zahnradgetriebe abgekühlt werden muss. Das große Rad ist mit einer langsam laufenden Achse verbunden und bringt ein kleines Rad auf eine höhere Geschwindigkeit. Die Übersetzung (Drehzahl der Schnellwelle durch die Geschwindigkeit der langsam laufenden Welle) ist kleiner als 1:5, d.h. die Schnellwelle rotiert maximal fünfmal so schnell wie die langsam laufende Achse.

Eingesetzt wurden sie in Altanlagen bis zu einer Leistung von 500 Kilowatt. Planetenräder werden mit drei verschiedenen Getriebearten gebaut: Die langsam laufende Achse, die mit der Läuferwelle verbunden ist, heißt Hohlrad (rot) und hat eine innere Verzahnung. Im Zentrum befindet sich das Solarrad (grün), das mit der schnellen Achse des Generators[=>Generator] verbunden ist.

Aufgrund dieser Vorzüge sind alle großen Windenergieanlagen mit wenigstens einer Planetarstufe ausgestattet. Der Generator kann prinzipiell mit einem Flansch versehen werden, so dass eine verlängerte Welle des Getriebes nicht notwendig ist (siehe Gesamtkonzept). Allerdings ist die steife Anbindung des Getriebes an den Generator nicht ganz problemlos. Der Zugang zur Rückseite des Getriebes oder zur Vorderseite des Aggregates muss durch einen bestimmten Mindestabstand zueinander sichergestellt sein.

Deshalb werden in der Schnellwelle in der Regel abnehmbare und elastische Anschlusskupplungen montiert. Zur Schonung von Getrieben und Generatoren ist die Verbindung oft mit einem Überlastschutz versehen. In Windenergieanlagen mit geringerer Nennleistung wird die Mechanikbremse nur als Betriebsbremse eingesetzt. Bei höheren Leistungsklassen ist die Mechanikbremse nur als Haltebremse ausgelegt.

Ein Windgenerator wird überwiegend durch die Verstellung der Rotorblätter strömungstechnisch abgebremst. Die Einstellung eines einzigen Blattes genügt, um die Windenergieanlage vollständig zu durchbrechen. In Stallsystemen wird dies in der Regel durch Drehen der Schaufelspitzen (Spitzenbremse) und in Pitchsystemen durch Drehen des gesamten Rotorblatts erreicht. Hinzu kommen die mechanischen Scheibenbremse. In kleinen Systemen kann die Bremsanlage sowohl auf der langsam laufenden als auch auf der schnell laufenden Achse (nach dem Getriebe) angebracht werden.

Das Abbremsen auf der langsam laufenden Achse hat den Nachteil, dass das Schaltgetriebe während des Bremsvorgangs nicht beansprucht wird. In grösseren Systemen (über 600 kW Nennleistung) ist das Anzugsmoment auf der langsam laufenden Achse zu hoch, deshalb muss die Bremsanlage auf der Generatorseite auf der schnell laufenden Achse mit geringerem Anzugsmoment angebracht werden.

Er ist ein Energieumwandler und setzt die mechanischen Energien des Läufers in Strom um. Der Spannungswert ist abhängig von der Leistung der Windenergieanlage: In den meisten Fällen sind die Installationen mit variablen Frequenzgeneratoren ausgestattet. Generatorkühlung: Der Generatorwirkungsgrad beträgt zwischen 96 und 98 Grad.

Durch die sehr hohe Sendeleistung müssen die resultierenden Verlustleistungen (meist als Wärmeverluste) nach aussen abgeleitet werden. Die Effizienz der Kühlung der Luft stößt bei höheren Ausstoßleistungen an ihre Grenze und der Generator muss mit Wasser gekühlt werden. Der Generator ist der grösste Hitzeerzeuger, daher wird der Kälteerzeuger in der Regel unmittelbar am Generator montiert.

Zudem werden die Mechanikkomponenten durch die feste Geschwindigkeit höher beansprucht (siehe Dänische Konzeption). Sie können auch ohne Wechselrichter an das Stromnetz angeschlossen werden, laden aber das Stromnetz mit Blindleistung, die der Betreiber nicht gerne hat. Synchrone Generatoren werden vor allem in Gearless-Windenergieanlagen eingesetzt (siehe Konzeptionen mit Synchrongenerator).

Das verlustarme Verfahren wird heute oft in Systemen mit Getrieben eingesetzt (siehe Konzeption mit doppeltgespeistem Asynchrongenerator).

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