Windkraftanlagen, oder auch Windenergieanlagen (WEA), erzeugen Strom durch die Auftriebskraft des Windes, die an den Rotorblättern ihre Wirkung entfaltet. Dementsprechend nimmt die Rotationsgeschwindigkeit zu, wenn die Windgeschwindigkeit steigt. Und mit ihr auch die Geschwindigkeit, in der sich der an den Rotor angeschlossene Antriebsstrang und Generator drehen. Doch für die Stromerzeugung und die Einspeisung der Energie ins Netz ist es wichtig, dass der Antriebsstrang sich in einer relativ konstanten Geschwindigkeit dreht. Wird die erhöhte Windgeschwindigkeit “ungefiltert” auf die Rotorblätter und somit den Antriebsstrang übertragen, drohen Materialschäden an der Windkraftanlage und die Einspeisung des Stroms ins Netz wird erschwer.
Ab einer gewissen Windgeschwindigkeit (i.d.R. ab 9 bis 12 Metern pro Sekunde) kann es deshalb notwendig sein, die Wirkung der Auftriebskraft auf die Rotorblätter durch aerodynamische Maßnahmen zu begrenzen. Nur so kann vermieden werden, dass der Antriebsstrang sich zu schnell dreht und die Nennleistung überschritten wird. Diese Maßnahmen nennt man Leistungsbegrenzung. Hier wird zwischen kleinen und großen Windkraftanlagen unterschieden. Bei kleineren Anlagen kann zum Beispiel durch einen Generatorkurzschluss gebremst werden, wenn die Drehzahl sich zu stark erhöht.
Bei größeren Windenergieanlagen wird die Leistungsbegrenzung durch die Rotorblätter selbst erreicht. Die bekanntesten Konzepte bei modernen WEA sind die Pitch-Regelung und die Stall-Regelung. Bei Sturm (ab einer Windgeschwindigkeit von 25 m/s) sorgt die Leistungsbegrenzung für das komplette Abschalten der Anlage.
Bei der Pitch-Regelung ermöglichen kleine Pitch-Motoren (Azimutmotoren) an jedem Rotorblatt die Verstellung des Blattwinkels, was man auch “pitchen” nennt. Dafür müssen die Rotorblätter im Winkel verstellt werden.
Bei der Stall-Regelung wird der Blattwinkel nicht verändert, sondern die Konstruktion der Rotorblätter selbst sorgt bei zu hohen Windgeschwindigkeiten für einen Strömungsabriss (engl.: Stall). Die Profilgeometrie sorgt auf der Saugseite (Oberseite des Profils eines Rotorblattes) dafür, dass die Luftströmung abreißt, wenn der Anströmwinkel bei hohen Windgeschwindigkeiten zu groß wird. Dadurch wird weniger kinetische Energie in Rotationsgeschwindigkeit umgewandelt, und die Anlage bleibt im Bereich der Nennleistung. Jedoch ist dieses Prinzip etwas träge. Zudem wird ein Rotor mit stets konstanter Drehzahl benötigt, also ein Asynchrongenerator. Es wurde auch mit der aktiven Stall-Regelung experimentiert, bei der – ähnlich wie bei der Pitch-Regelung – eine motorgestützte Blattwinkelverstellung um die Längsachse erfolgt. Doch trotz der Motoren besteht bei hohen Windgeschwindigkeiten dennoch eine höhere Belastung im Antriebsstrang, was bei der Pitch-Regelung nicht der Fall ist.
Statt Motoren kommen bei stall-geregelten Windkraftanlagen zusätzlich sogenannte Tip-Bremsen zum Einsatz. Es handelt sich dabei um fliehkraftbetätigte verstellbare Blattspitzen, die zusätzlich vor zu hohen Drehzahlen schützen.
Die Pitch-Regelung
Über die Pitch-Regelung werden die Vorderkanten der Rotorblätter in die Anströmung gedreht. So werden die Auftriebskräfte verringert und die Drehzahl bzw. Leistung reduziert, was bei hohen Windgeschwindigkeiten vor Schäden am Antriebsstrang schützt und den Rotor entlastet. Ebenso kommt ein Pitchwinkel von 90° (die sog. Fahnenstellung) aber auch zum Einsatz, wenn sehr schwacher Wind weht und die Anlage nicht in Betrieb ist, da die Rotorwelle nicht angetrieben werden kann. Die Windenergieanlage steht dann still oder dreht sich sehr langsam (Trudelbetrieb).
Bei der optimalen Windgeschwindigkeit (zwischen 2,5 Metern und 12 Metern pro Sekunde) beträgt der Pitchwinkel 0°. Dies entspricht somit der besten Arbeitsposition zur optimalen Leistungsentnahme der Windenergie durch die Rotorblätter (siehe auch: Wirkungsgrad). Wird der Pitchwinkel erhöht, verringert sich die Leistung, was bei hoher Windgeschwindigkeit notwendig sein kann.
Diese Situation tritt bei Windgeschwindigkeiten von mehr als 12 Metern pro Sekunde ein. Bis zu einer Windgeschwindigkeit von 25 Metern pro Sekunde kann hier eine Pitch-Steuerung die Leistung reduzieren, sodass die Anlage weiterlaufen kann, ohne dass Schäden am Antriebsstrang drohen. Dies ist bis zu einem Pitchwinkel von etwa 30° möglich. Die Auftriebskraft wird so beeinflusst, dass die Anlage bei konstanter Nennleistung bleibt. Hierfür muss es unterbunden werden, dass die Rotorwelle sich aufgrund der höheren Windgeschwindigkeit schneller dreht. Ab einer Windgeschwindigkeit von mehr als 25 Metern pro Sekunde hilft auch das Pitchen nicht mehr. Man spricht hier von Sturm und die Windkraftanlage muss ausgeschaltet werden. Auch hier kommt wieder die sog. Fahnenstellung, also ein Pitch-Winkel von 90° zum Einsatz, genauso wie bei einer zu niedrigen Windgeschwindigkeit.
Endschalter für Pitch-Antriebe
Durch die Veränderungen des Blattwinkels der Windkraftanlage kann die Rotationsgeschwindigkeit und damit die erzeugte Stromleistung maßgeblich beeinflusst werden.
Die Getriebeendschalter dienen hierbei vor allem der Erzeugung eines exakten Positionssignals der Flügelblattstellung. Die Basis einer exakten Verstellung des Blattwinkels ist hierbei die Möglichkeit, die Momentanposition hochgenau bestimmen zu können.
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