1. Aufbau von Windenergieanlagen
Die aktuelle Bauform von Windenergieanlagen ist gekennzeichnet durch eine horizontale Rotorachse und drei Rotorblätter. Der Rotor befindet sich auf der dem Wind zugewandten Seite des Turmes (Luvläufer).
Der Rotor von Windenergieanlagen muss der Windrichtung nachgeführt werden. Die Gondel ist daher mit einem Azimutlager horizontal drehbar auf dem Turm angebracht. Die Windrichtung wird über einen Windrichtungsgeber (Windfahne) ermittelt. Die Ausrichtung des Rotors in den Wind erfolgt dann mittels Stellmotoren (Azimutantriebe).
Eine Windenergieanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern sowie einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe beherbergt. Die Gondel ist drehbar auf einem Turm gelagert, dessen Fundament die notwendige Standsicherheit gibt. Dazu kommen die Überwachungs-, Regelungs- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik in der Maschinengondel und im Turmfuß oder außerhalb des Turmes.

Die Rotorblätter sind elementarer und prägender Bestandteil einer Windenergieanlage. Mit ihnen wird die mechanische Energie dem Wind entnommen und dem Generator zugeführt. Sie werden nicht nur stets auf einen hohen Wirkungsgrad, sondern auch auf Geräuschminderung hin optimiert. Die Rotordurchmesser bei den heute üblichen Anlagengrößen (800-2500 kW) liegen zwischen 40 und 100 Metern mit einem Trend zu noch größeren Durchmessern.
Moderne Rotorblätter bestehen aus glasfaserverstärktem Kunststoff und werden in Halbschalen-Sandwichbauweise mit Versteifungsholmen oder -stegen im Inneren hergestellt. Auch leichtere Kohlenstofffasern haben bereits bei einigen Herstellern Eingang in die Fertigung gefunden. Die Rotorblätter sind mit einem Blitzschutzsystem ausgerüstet, das mit der Erdung des Maschinenhauses verbunden ist.
Für die Umwandlung der mechanischen Energie in elektrische Energie werden Drehstrom-Asynchrongeneratoren oder Drehstrom-Synchrongeneratoren eingesetzt. Die Drehzahl des Generators (und damit des Rotors) kann konstant oder variabel sein. Es haben sich verschiedene Varianten von getriebegekoppelten Asynchron- oder Synchrongeneratoren sowie direkt an den Rotor gekoppelte, vielpolige Synchrongeneratoren etabliert.
Der Generator und das ggfs. vorhandene Getriebe werden auf Lebensdauer, Gewicht, Größe, Wartungsaufwand und Kosten optimiert. Ein weiterer Parameter ist die Polpaarzahl des Generators, womit das Übersetzungsverhältnis des ggfs. vorhandenen Getriebes festgelegt ist.
Die Art der Rotorbremse hängt von der Wahl der Rotorblattsteuerung ab. Bei Windenergieanlagen mit Stallregelung muss die Bremse in der Lage sein, die gesamte Bewegungsenergie des Rotors und des Generators im Notfall aufzunehmen. Sie muss deshalb sehr leistungsfähig sein. Teilweise wird sie auch als Betriebsbremse eingesetzt, um die Rotordrehzahl bei Windböen innerhalb der Toleranzen zu halten. Hierzu kommen meist große Scheibenbremsen zum Einsatz. Windenergieanlagen mit aktiver Stallregelung und Pitchregelung können die Rotorblätter aus dem Wind drehen und aerodynamisch abbremsen. Eine mechanische Bremsanlage fällt dann kleiner aus oder kann sogar ganz entfallen. Alle Windenergieanlagen müssen mit zwei voneinander unabhängigen Bremssystemen ausgerüstet sein. Dazu zählen auch unabhängig voneinander verstellbare Rotorblätter.
Die elektrische Ausrüstung lässt sich in den Generator, in das System zur Netzeinspeisung und in das Steuer- und Überwachungssystem für den Anlagenbetrieb unterteilen.
Bei den älteren, drehzahlstarren Windenergieanlagen ist der Generator direkt an das Stromnetz gekoppelt. Bei einem Asynchrongenerator mit Kurzschlussläufer wird eine Vorrichtung zur Blindleistungskompensation parallel zum Generator geschaltet. Bei modernen drehzahlvariabeln Windenergieanlagen mit Synchron- oder Asynchrongenerator schwankt der vom Generator erzeugte Wechselstrom in Frequenz und Amplitude. Deshalb wird er mit einem gesteuerten Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt und in einem Kondensator zwischengespeichert (Zwischenkreis), anschließend in einem Wechselrichter in netzfrequenten Wechselstrom transformiert. Zuletzt wird die Ausgangsspannung (üblich: Niederspannung 400-690V) über einen Anlagentransformator auf Netznennspannung (üblich. Mittelspannung 10-34,5 kV) transformiert. Die Windenergieanlage wird über Messwandler zur Ermittlung der übertragenen Leistungen und Leistungsschalter mit dem Stromnetz verbunden. Der Turm, auf den die bis zu mehreren hundert Tonnen schwere Maschinengondel aufgesetzt wird, ist ein hochbelastetes Bauteil. Er muss unter allen Betriebsbedingungen den Schwingungen der Gondel und den auftretenden Windkräften sicher widerstehen. Die Berechnung der Türme erfolgt für die vorgesehene Lebensdauer der Windenergieanlage von 20 Jahren.
Die Höhe des Turmes ist ein entscheidender Faktor für den Ertrag einer Windenergieanlage, da in höheren Luftschichten die durch Bodenrauigkeit (Bebauung und Flora) hervorgerufenen Turbulenzen wesentlich verringert sind und der Wind somit stärker und gleichmäßiger weht. Während an Küstenstandorten schon relativ kleine Türme ausreichen, stellt man im Binnenland zumeist höhere Türme auf. Die Hersteller bieten verschiedene Turmhöhen und Varianten für die gleiche Anlage an. Beispiele für Turmhöhen in Bezug auf Rotordurchmesser und Nennleistung:
• 50-60 m Rotordurchmesser, ca. 1 MW Nennleistung, Nabenhöhe 50-75 m
• 70–100 m Rotordurchmesser, 1,5–3 MW Nennleistung, Nabenhöhe 70-115 m

Stahltürme bestehen meist aus zwei bis vier Segmenten, die mit Flanschverbindungen verschraubt werden. Die Wandstärken betragen 20 bis 40 Millimeter. Betontürme können in Gleitschalung gebaut werden (Ortbeton-Turm). Der Bau von Betontürmen in Fertigteilbauweise ist ebenfalls möglich. Dabei werden vorgefertigte Elemente auf der Baustelle aufeinander gesetzt und mit Stahlseilen, die durch Leerrohre in der Wandung geführt werden, auf Vorspannung gebracht (Spannbeton). Eine weitere Turmvariante ist der Gittermastturm.
Bei kleineren Windenergieanlagen (bis ca. 500 kW) wurden zum Teil Türme mit Außenaufstieg, also einer Leiter außen am Turm, verwendet. Dies erlaubte eine schlankere Gestaltung der Türme, da dann das Innere nicht begehbar sein musste. Größere Windenergieanlagen werden, mit Ausnahme von Gittermasten, grundsätzlich innerhalb des Turmes bestiegen. Große Türme (über 80 m) haben im Inneren in aller Regel einen Fahrkorb, der den Aufstieg erleichtert. Daneben gibt es oft auch eine Materialwinde zum Transport von Ersatzteilen.
Die Windenergieanlage muss sicher im Boden verankert werden. An Land wird am häufigsten eine Flachgründung gewählt. Am Anlagenstandort wird auf einer Sauberkeitsschicht eine kreisförmige oder auch eine vier- oder mehreckige Fundamentplatte bewehrt, geschalt und dann mit Beton gegossen. Die Platte befindet sich in der Regel unter einer Erddeckschicht unterhalb der Geländeoberkante. Bei inhomogenen Bodenverhältnissen kann vor dem Fundamentbau ein Bodenaustausch zur Verbesserung der Tragfähigkeit notwendig sein. Stehen in der Gründungsebene nur sehr weiche Böden an, dann werden Pfähle in tragfähigere Schichten gebohrt oder gerammt und deren gekappte Köpfe mit der Fundamentbewehrung verflochten (Pfahlgründung oder Tiefgründung). Da die Pfähle Druck- und Zugkräfte abtragen können, sind Pfahlkopf-Fundamente in der Regel kleiner als Flachgründungs-Fundamente.
Quelle: PowerWind GmbH
 

 
2. Regelung von Windenergieanlagen
Für die Regelung von Windenergieanlagen existieren verschiedene Konzepte, die sich zum Teil auch auf die Anlagenkonstruktion und deren Bestandteile auswirken.
Die Windenergieanlagen werden von der Anlagensteuerung bei ertragsversprechenden Windgeschwindigkeiten (Anlaufwindgeschwindigkeit) angefahren und bei sehr hohen Windgeschwindigkeiten (Abschaltwindgeschwindigkeit) wieder abgeschaltet. Die Windgeschwindigkeit wird dabei von der Anlagensteuerung über das Gondelanemometer ermittelt. Ist die Windgeschwindigkeit zu gering, wird die Anlage in den Leerlauf-bzw. Trudelbetrieb versetzt. Dabei werden die Blätter bei Windenergieanlagen mit Pitchregelung in Fahnenstellung gedreht, Windenergieanlagen mit Stallregelung werden aus dem Wind gedreht. Ein Festsetzen des Rotors würde die Lager und das Getriebe mehr belasten als der Trudelbetrieb mit leichter Bewegung. Der Generator beziehungsweise der netzseitige Wechselrichter wird vom Stromnetz getrennt. Die Steuerelektronik und die Stellantriebe für Rotorblattverstellung und Windrichtungsnachführung beziehen dann ihre Energie aus dem Netz. Die Windenergieanlagen besitzen auch eine Notstromversorgung, um bei Netzausfall ein sicheres Abschalten (Blätter in Fahnenstellung drehen oder bremsen) zu gewährleisten.
Ab einer Windgeschwindigkeit von 2–4 m/s (Windstärke 2–3 Beaufort) schaltet die Steuerung die Windenergieanlage ein, da erst dann Energie in das Stromnetz abgegeben werden kann. Im normalen Betrieb wird die Anlage dann entsprechend den konstruktiv festgelegten Drehzahlregelkonzepten betrieben.
Bei sehr großen Windgeschwindigkeiten (typische Abschaltgeschwindigkeit 25–35 m/s, Windstärke 10–12 Beaufort) wird die Anlage abgeschaltet, um Schäden durch mechanische Überbelastung zu vermeiden. Pitchgeregelte Windenergieanlagen drehen ihre Blätter in Fahnenstellung und gehen in den Trudelbetrieb, stallgeregelte Windenergieanlagen werden aus dem Wind gedreht und durch die Bremse festgesetzt. Windenergieanlagen der Firma Enercon besitzen eine Sturmregelung. Diese schaltet die Anlage nicht einfach ab, sondern erlaubt den reduzierten sicheren Betrieb der Anlage bei fast jeder Windgeschwindigkeit, da sie bei Sturm die Rotorblätter so verstellt, dass die Anlage in einem sicheren Betriebszustand verbleibt.
Eine Windenergieanlage ist nur dann optimal zu betreiben, wenn die Rotordrehzahl und die Generatordrehzahl auf die augenblicklich herrschende Windgeschwindigkeit abgestimmt sind. Dabei muss auf die Kombination der Regelkonzepte für Rotor (Stall, aktiver Stall oder Pitch) und Generator (drehzahlkonstant, zweistufig oder variabel) Rücksicht genommen werden.
Bei einem Rotor mit Stallregelung tritt oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit ein Strömungsabriss am Rotorblatt auf, der die Drehzahl und damit die Leistung begrenzt. Diese konstruktive Regelung ist sicher und einfach, bringt jedoch auch einige Nachteile mit sich. Bei Rotorblättern mit aktiver Stallregelung kann der Punkt des Strömungsabrisses zusätzlich über eine Veränderung des Rotorblattanstellwinkels gesteuert werden. Da diese Windenergieanlagen in der Regel mit netzsynchronen Generatoren arbeiten, muss die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors sehr schnell auf die sich ständig ändernde Windgeschwindigkeit abgestimmt werden, um die Frequenz und den Betrag der Spannung innerhalb der geforderten Toleranzen zu halten.
Rotoren mit Pitchregelung werden ebenfalls durch Verstellen des Anstellwinkels an die momentane Windgeschwindigkeit angepasst, aber das Wirkprinzip unterscheidet sich von dem der Stallregelung. Durch die Drehung des Rotorblattes um die eigene Achse wird die Auftriebskraft und somit die Rotationsgeschwindigkeit geändert. Diese Windenergieanlagen arbeiten in einem weiten Bereich drehzahlvariabel.
Der Generator bringt ein Gegenmoment zum Rotor auf, das von der Leistungsabgabe des Generators und der Drehzahl abhängig ist.
Drehzahlvariable pitchgeregelte Windenergieanlagen stellen zurzeit den aktuellen Stand der Technik im Windenergieanlagenbau dar. Es wird zwischen zwei Betriebszuständen unterschieden: der Drehzahlregelung im Teillastbetrieb (Drehzahl/Drehmomentenregelung) und der Drehzahlregelung im Volllastbetrieb (Pitchregelung).

Drehzahl-/Drehmomentenregelung: Um eine optimale Leistungsausbeute zu erreichen, wird die Drehzahl der Anlage im Teillastbereich auf das optimale Verhältnis zwischen Umfangsgeschwindigkeit des Rotors und Windgeschwindigkeit eingestellt (Schnelllaufzahl λ optimal). Die Blätter sind dabei auf den Blattwinkel eingestellt, der das höchste Antriebsmoment an der Rotorwelle erzeugt. Die Drehzahl wird über das Gegenmoment am Generator beeinflusst.
Pitchregelung: Ist bei der Nennwindgeschwindigkeit das maximale Gegenmoment am Generator (Nennleistung) erreicht, kann die Drehzahl durch weiteres Erhöhen des Generatormoments nicht mehr auf dem Arbeitspunkt gehalten werden. Daher wird der aerodynamische Wirkungsgrad der Blätter verschlechtert, indem sie aus ihrem optimalen Anstellwinkel herausgefahren werden. Diesen Vorgang nennt man Pitchen. Die Drehzahl der Anlage wird daher ab Erreichen des maximalen Generatormoments über den Anstellwinkel der Blätter beeinflusst. Böen werden durch kurzzeitige Erhöhung der Rotordrehzahl und Verstellung des Anstellwinkels besser abgefangen als bei anderen Anlagentypen.
Windenergieanlagen mit Pitchregelung werden zumeist ausschließlich aerodynamisch abgebremst. Dabei wirken die drei voneinander unabhängigen Blattverstellsysteme als Bremse. Sie besitzen meistens keine mechanische Betriebsbremse. Der Rotor wird nur zu Wartungsarbeiten festgesetzt.

Netzsynchrone Windenergieanlagen mit Stallregelung („Dänisches Konzept“) waren lange Zeit Stand der Technik im Windenergieanlagenbau bis zu einer Nennleistung von etwa 500 Kilowatt. Sie haben einen Dreiblattrotor mit nicht verstellbaren Rotorblättern, der sein Drehmoment über ein Stirnradgetriebe an den Generator weiterleitet. Der Generator läuft netzsynchron. Durch die Anwendung der Stern/Dreieck-Polumschaltung am Generator können zwei Drehzahlen gefahren werden, um den Teillast-und Volllastbereich abzudecken. Die Windenergieanlagen sind teilweise durch die Rotorblattauslegung nicht in der Lage, bei wenig Wind selbständig anzulaufen. Daher wird bei nicht ausreichender Windgeschwindigkeit der Generator kurz als Motor verwendet, um den Rotor in Drehung zu versetzen. Die Rotorblätter sind so geformt, dass im Nennlastbereich ein Strömungsabriss auftritt und so die Leistung auch bei starkem Wind auf die Nennleistung begrenzt ist(Stalleffekt).
Windenergieanlagen mit aktiver Stallregelung sind der Versuch, das Konzept der Stallregelung und des netzsynchronen Betriebs ohne teureren Gleich-und Wechselrichter auch auf größere Windenergieanlagen bis in den Megawattbereich zu übertragen. Bei diesen Windenergieanlagen lässt sich der Strömungsabriss an den Rotorblättern zusätzlich über eine Blattverstellung steuern. Schwankungen im Wind (Böen) können so besser als bei Windenergieanlagen mit Stallregelung ausgeglichen werden. Die Blattverstellung arbeitet entgegengesetzt der Pitchregelung und erhöht den Anstellwinkel immer weiter, bis es zum Strömungsabriss kommt. Im Sturmfall können die Blätter mit der Hinterkante nach vorn gedreht werden (siehe AN Bonus). Die Anlage muss dann nicht aus dem Wind gedreht werden.
Die Windrichtungsnachführung erfolgt bei modernen Windenergieanlagen durch Stellmotoren (Azimutantriebe). Die Windrichtung wird dabei über eine auf der Gondel angebrachte Windfahne ermittelt. Um Schwingungen der Anlage um die Turmachse zu vermeiden, werden die Stellmotoren gegeneinander verspannt oder das gesamte Lager wird mit einer Bremse festgesetzt, wenn es nicht in Bewegung ist. Auch die natürliche Dämpfung von Gleitlagern wird genutzt. Bei Bewegung der Gondel wirken starke Widerstandsmomente auf den Rotor und die übrige Struktur ein. Die Windrichtungsnachführung erfolgt daher langsam und stark gedämpft.
Quelle: PowerWind GmbH