Warum drehen sich Windräder so langsam?

Eine Drehung, die langsam wirkt

Windräder sind gebaut, um Wind einzufangen. Warum wirken diese Rotorblätter dann so langsam? Würde schnelleres Drehen nicht mehr Strom liefern? Die Überraschung: Eine langsam wirkende Drehung kann die Blattspitzen durch die Luft rasen lassen.

Und schneller ist nicht immer besser. Die passende Drehzahl hängt vom Wind, der Blattform und der sicheren Belastbarkeit der Anlage ab.

Schnelle Spitze, langsamer Rotor

Betrachte zwei Punkte auf demselben Blatt: einen nahe der Nabe, einen an der Spitze. Beide vollenden jede Umdrehung gemeinsam, doch die Spitze legt dabei einen viel längeren Weg zurück. Als Beispiel nehmen wir die I E A Fünfzehn-Megawatt-Referenzturbine, einen zweitausendzwanzig veröffentlichten Forschungsentwurf. Ihr Rotordurchmesser beträgt zweihundertvierzig Meter, ihre Nenndrehzahl etwa siebeneinhalb Umdrehungen pro Minute.

Bei hundertzwanzig Metern Radius fliegt die Spitze mit etwa fünfundneunzig Metern pro Sekunde durch die Luft. Bei diesem riesigen Kreis verdeckt die niedrige Drehzahl, wie schnell sich die Blattspitze bewegt. Begleite jetzt einen kleinen Blattabschnitt und betrachte die Luftströmung, auf die er trifft. Diese relative Anströmung ergibt sich aus Wind und Blattbewegung. Deshalb trifft sie schräg auf den bewegten Blattabschnitt.

Das Profil erzeugt Auftrieb quer zu dieser Strömung, der Widerstand wirkt entlang der Strömung. Ein Teil der aerodynamischen Kraft wirkt in Drehrichtung, treibt das Blatt an und dreht die Nabe. Ein anderer Kraftanteil belastet den Rotor in Achsrichtung. Diese Last muss die Tragstruktur aufnehmen. Ändern sich Geschwindigkeit oder Winkel des Blatts, ändern sich seine Anströmung und damit die antreibende Kraft und die Belastungen.

Die nutzbare Drehzahl finden

Ingenieure setzen die Geschwindigkeit der Blattspitze zur Windgeschwindigkeit ins Verhältnis. Das nennen sie Schnelllaufzahl. Bewegt sich die Spitze neunmal so schnell wie der Wind, beträgt die Schnelllaufzahl neun, unabhängig von der verwendeten Einheit. Für jede Blattform und jeden Einstellwinkel gibt es einen geeigneten Betriebsbereich, um der Luftströmung Energie zu entnehmen. Eine höhere Drehzahl kann den Rotor in diesen Bereich bringen. Steigt sie weiter, kann er ihn wieder verlassen.

Die Schnelllaufzahl allein bestimmt nicht für jede Turbine die beste Einstellung. Beim I E A Referenzentwurf liegt der gewählte Betriebspunkt nicht dort, wo der aerodynamische Leistungsbeiwert am höchsten ist, weil auch die Belastungsgrenzen eingehalten werden müssen. Im Hauptbetriebsbereich unterhalb der Nennwindgeschwindigkeit wird beim Referenzentwurf das Generatordrehmoment geregelt, um die gewählte Schnelllaufzahl anzustreben.

Der Generator bietet einen steuerbaren Drehwiderstand, mit dem der Regler die Rotordrehzahl beeinflusst. Bei schwächerem Wind hält dieser Entwurf außerdem eine Mindestrotordrehzahl ein. Deshalb ändert sich die Regelstrategie. Schon unterhalb der Nennleistung verhindern praktische Betriebsgrenzen, dass eine Turbine unter allen Bedingungen einer einzigen idealen Schnelllaufzahl folgt. Erreicht die Referenzturbine ihre Nennbedingungen, hält die Blattverstellung ihre Drehzahl nahe dem Nennwert.

Drehen sich die Blätter um ihre Längsachsen, ändert sich ihr Winkel zur Luftströmung. Damit kann die Anlage ihre Leistungsaufnahme begrenzen. Blätter und Turm müssen Belastungen standhalten. Auch wenn sich die Blätter durchbiegen, müssen sie Abstand zum Turm halten. Der Regler hält diese Auslegungsgrenzen ein. Stärkerer Wind bedeutet nicht, dass Drehzahl und elektrische Leistung unbegrenzt steigen sollen.

Drehmoment gegen Drehzahl tauschen

Um ein Getriebe zu beobachten, wechseln wir zum siebenhundertfünfzig-Kilowatt-Antriebsstrang des N R E L Projekts Gearbox Reliability Collaborative. Diese ältere Referenz hat zwei Generator-Nenndrehzahlstufen. Ihr Mechanismus ist vom drehzahlvariablen I E A Entwurf zu unterscheiden. Folge der Hauptwelle von der Nabe ins Getriebe. Dort treibt eine Planetenstufe zwei nachgeschaltete Stufen mit parallelen Wellen an. Im gewählten Test dreht die Hauptwelle etwa zweiundzwanzigmal pro Minute, die Generatorwelle etwa achtzehnhundert Mal.

Im gesamten Getriebe dreht sich die Ausgangswelle etwa einundachtzigeinhalbmal pro Umdrehung der Eingangswelle. Das letzte Paar allein übersetzt vier zu eins: Ein Rad mit achtundachtzig Zähnen treibt ein Ritzel mit zweiundzwanzig. Während die Zähne ineinandergreifen, muss sich das kleinere Rad häufiger drehen, um mitzuhalten. Dadurch ergibt sich das Drehzahlverhältnis. Die Verhältnisse der verbundenen Stufen werden auf dem Weg zum Generator miteinander multipliziert.

Mechanische Leistung ist Drehmoment mal Winkelgeschwindigkeit, also erzeugt die schnellere Welle keine zusätzliche Leistung im Getriebe. Bei idealer, gleichmäßiger Übertragung sinkt das Drehmoment im gleichen Verhältnis, wie die Drehzahl steigt. Die übertragene Leistung bleibt gleich. Ein echtes Getriebe hat Reibungsverluste, darum kommt am Ausgang weniger Leistung an, als hineingeht. Die höhere Drehzahl passt den Rotor an einen schnellen Generator an, der kleiner sein kann als ein langsamer.

Für die Beobachtung haben wir den Mechanismus verlangsamt, und zwar alle verbundenen Wellen um denselben Faktor. Die Übersetzung erklärt die verschiedenen Drehzahlen; die nächste Frage ist, wie der Generator die mechanische Leistung in elektrische umwandelt.

Die Übergabe an die Elektrik

Jetzt betrachten wir ein vereinfachtes Generatormodell mit einer rotierenden Magnetquelle und feststehenden Spulen. Das zeigt nur die elektromagnetische Induktion, keinen Bauplan des G R C Generators. Beobachte das Magnetfeld durch eine Spule, während sich die Magnetquelle an ihr vorbeidreht. Der magnetische Fluss durch die Spule ändert sich, und das Faradaysche Gesetz verknüpft diese Änderungsrate mit der induzierten Spannung.

In diesem einfachen rotierenden Modell steigt und fällt der Fluss während einer Umdrehung, und die induzierte Spannung wechselt ihre Polarität. Die Spannung folgt der Änderungsgeschwindigkeit des Flusses, darum liegen ihre Spitzen nicht dort, wo der Fluss seine Spitzen hat. Auch bei offenem Stromkreis kann der veränderliche Fluss eine Spannung an den Anschlüssen erzeugen. In unserem idealen offenen Stromkreis fließt kein Strom zum Verbraucher. Die Spannung allein zeigt also keine übertragene Nutzleistung.

Schließe den Stromkreis über einen Verbraucher. Dann kann Strom fließen, und der Generator überträgt Energie an ihn. Dieser Strom erzeugt eine magnetische Gegenwirkung zur auslösenden Flussänderung. So setzt der Generator der Drehung elektromagnetischen Widerstand entgegen. Die Welle muss gegen diesen Widerstand weiter mechanische Arbeit leisten, damit die elektrische Übertragung anhält. Das ist die Verbindung von Drehmoment und Stromerzeugung: Die Drehkraft des Rotors liefert die Energie,

während Generator und angeschlossener Stromkreis bestimmen, wie diese Energie entnommen wird.

Vom Generator ins Netz

Für den Netzanschluss betrachten wir ein dokumentiertes Forschungsmodell mit Vollumrichter. Es basiert auf der N R E L Anlage CART drei, der Controls Advanced Research Turbine. Hier verbindet Leistungselektronik den variablen Generatorbetrieb mit dem Wechselstromnetz. Im beschriebenen Modell wandelt ein Gleichrichter den Wechselstrom des Generators in Gleichstrom, der einen Zwischenkreis durchläuft. Ein Wechselrichter macht daraus dann geregelten Wechselstrom mit Netzfrequenz.

So können Generatordrehzahl und elektrische Frequenz schwanken, ohne dass die Netzfrequenz folgen muss. In der Grundanordnung regelt der netzseitige Umrichter die Zwischenkreisspannung und die mit dem Netz ausgetauschte Leistung. Ein Transformator hat eine andere Aufgabe: Er ändert die Spannung des Wechselstroms. Eine höhere Übertragungsspannung senkt bei gleicher Leistung den nötigen Strom. Das hilft, Verluste in den Leitungen vom Windpark zu verringern.

Das Stromnetz des Windparks bündelt die Leistung der Turbinen und ist über ein Umspannwerk ans übergeordnete Netz angeschlossen. Generator, Umrichter und Transformator erledigen je einen anderen Teil dieser Übertragung, nachdem der Wind die mechanische Energie schon geliefert hat.

Weg mit dem Getriebe

Kehren wir zur I E A Fünfzehn-Megawatt-Referenzturbine zurück. Sie hat einen Direktantrieb. Ihr Rotor ist ohne drehzahlerhöhendes Getriebe mit dem Generator verbunden. Deshalb muss der Generator mit der niedrigen Drehzahl des Windrotors arbeiten. Der Referenzgenerator hat einen Ring aus Permanentmagneten am drehenden Außenteil, rund um eine feste Struktur mit Spulen. Bei einer langsamen Umdrehung ziehen viele Magnetpole an den Spulen vorbei. So entstehen wiederholte magnetische Änderungen.

Ohne Getriebe ändert sich die Kopplung von Rotor und Generator, aber die aerodynamische Aufgabe des Blatts bleibt. Auch dieser Direktantrieb nutzt Drehmomentregelung und Blattverstellung, um innerhalb der Betriebsgrenzen des Rotors Energie zu gewinnen. Die Getriebeanordnung beschreibt die mechanische Verbindung, die Umrichteranordnung die elektrische. Sie beantworten verschiedene Fragen, und ein langsamer Rotor allein verrät nicht, welcher Antriebsstrang und welches elektrische System dahinterstecken.

Den Rotor neu lesen

Betrachte noch einmal die Blattspitze auf ihrer weiten Kreisbahn. Wenige Rotorumdrehungen pro Minute genügen für hohe Geschwindigkeiten an den Blattspitzen, weil sie bei jeder Umdrehung einen so langen Weg zurücklegen. Schnelleres Drehen hilft nur, wenn die Anlage damit innerhalb ihrer Grenzen einem geeigneten Betriebszustand näherkommt. Die Leistung hängt auch vom Drehmoment ab und davon, wie Generator und elektrisches System die Energie übertragen.

Diese langsam wirkenden Drehungen sind Teil eines geregelten Austauschs zwischen bewegter Luft und Stromnetz. Ändert sich der Wind, kann der Regler Blattwinkel und Generatordrehmoment anpassen. So hält er den Rotor im vorgesehenen Betriebsbereich.