Generatoren in Kleinwindkraftanlagen – Teil 1: Die Funktionsweise

Funktionsweise von Generatoren

Seit etwa fünfzig Jahren ist es technisch möglich, die in Wind enthaltene Energie mithilfe von Windkraftanlagen in elektrischen Strom umzuwandeln. Ermöglicht wurde dies durch modernste aerodynamische Auslegung von Rotorblättern und fortschreitende Generatorentechnik. Die Aufgabe eines Generators besteht darin, die mechanische Energie der sich drehenden Rotorflügel in elektrische Energie umzuwandeln, die für den Eigenverbrauch in Gebäuden oder zum Laden von Batterien verwendet werden kann.


Wie erzeugt bewegte Luft elektrische Energie?

Eines der grundlegendsten Prinzipien der Physik ist, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Stattdessen kann sie nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden. Wendet man diese Erkenntnis auf Windkraftanlagen an, so stellt man fest, dass diese eigentlich gar keine Energie erzeugen. Um zu verstehen, was sie genau tun, ist es wichtig zu wissen, welche verschiedenen Arten von Energie in den anlaufenden Prozessen vorkommen.

An erster Stelle steht die translatorische kinetische Energie. Diese Energieform ist in jedem Objekt oder Fluid enthalten, das sich von einem Ort zum anderen bewegt. In unserem Fall ist die translatorische kinetische Energie in bewegter Luft, genauer gesagt in Wind enthalten. Durch geschickte Konstruktion können wir eine Maschine bauen, die diese translatorische Bewegung in eine rotatorische umwandelt. Auf diese Weise wandeln wir auch die translatorische kinetische Energie in rotatorische kinetische Energie um. Eine simple Möglichkeit, sich rotatorische Energie zu visualisieren, besteht darin, einen Bleistift in der Hand zu halten und ihn zu drehen. Hierbei verändert der Bleistift nicht seine Position, sondern dreht sich lediglich um eine Achse. In einer Windkraftanlage bildet eine Welle das Äquivalent dieses Bleistifts. Die Maschine, die die translatorische in eine rotatorische Bewegung umwandelt, besteht natürlich aus den Rotorblättern der Windkraftanlage.

Der zweite Schritt ist die Umwandlung der rotatorischen kinetischen Energie in elektrische Energie. Kurz gesagt, besteht elektrische Energie aus sich bewegenden Elektronen. Das bedeutet, dass wir nun eine Maschine bauen müssen, die eine rotierende Welle aufnimmt und diese dazu verwendet, eine Bewegung von Elektronen zu erzeugen, die dann zu elektrischem Strom wird. Diese Maschine heißt Generator.

Im Wesentlichen enthält eine Windturbine also zwei Energieumwandlungsprozesse: Der eine findet in den Flügeln statt und der andere im Generator. Beide sind wesentliche Bestandteile des Systems.


Elektrischer Strom wird durch elektromagnetische Induktion erzeugt

Das physikalische Phänomen, das dafür sorgt, dass eine Bewegung elektrischen Strom erzeugt, heißt elektromagnetische Induktion. Aus dem Alltag kennt man Induktion aus dem Kontext ihrer Anwendung in Induktionsherden. Das Konzept hinter dieser Technologie ist im Wesentlichen dasselbe, das auch in Windkraftanlegen angewendet wird.

Bewegt man einen Draht und führt ihn dabei in ein Magnetfeld, so erzeugt man im Inneren des Drahtes Strom. Umgekehrt erzeugt ein Draht, durch den Strom fließt, ein Magnetfeld um sich herum. Dies hat Michael Faraday im Jahre 1831 erkannt. Wie genau funktioniert das also in einem Generator?


Das Faraday’sche Gesetz anwenden

Um den physikalischen Prozess zu verstehen, muss man zunächst das Gesetz der Lorentz-Kraft kennen, auch bekannt als Rechte-Hand-Regel. Betrachtet man seine rechte Hand und streckt Daumen, Zeigefinger und Mittelfinger so aus, dass sie senkrecht zueinander zeigen, dann kann man sich vorstellen, dass der Daumen die Bewegungsrichtung eines elektrischen Ladungsträgers, beispielsweise eines Elektrons, darstellt. Der Zeigefinger repräsentiert die Richtung eines Magnetfeldes. Dann besagt das Gesetz der Lorentz-Kraft, dass durch die Bewegung des Elektrons eine Kraft induziert wird und dass diese Kraft in Richtung des Mittelfingers zeigt.

Bewegt man einen Draht auf genau die gleiche Weise, so bewegt man nicht einfach nur ein einzelnes Elektron, sondern viele davon. Aufgrund der Lorentz-Kraft werden sie alle in die gleiche Richtung geschoben. Folglich bewegen sie sich durch den Draht. Und das ist schon Elektrizität, denn ein elektrischer Strom besteht letztlich nur aus Elektronen, die sich bewegen.

Generatoren machen sich diese Beobachtung zunutze. Der erste Schritt zur Entwicklung eines Generators besteht darin, anstatt eines geraden Drahtes einen gebogenen zu verwenden, der eine Schlaufe bildet. Diesen gebogenen Draht nennt man Spule. Um die erzeugte Elektrizität sichtbar zu machen, fügen wir der Spule eine Glühbirne hinzu. Danach befestigen wir eine Kurbel (oder eine Windturbine) an der Spule, um diese in eine Drehbewegung versetzen zu können. Der letzte fehlende Teil ist ein magnetisches Feld. Dieses können wir erzeugen, indem wir einen (Hufeisen-)Magneten um die Spule herum platzieren. Dabei ist zu beachten, dass die Richtung eines Magnetfeldes immer vom Nordpol zum Südpol zeigt. Im Falle des untenstehenden Bildes bedeutet dies, dass das Magnetfeld nach unten zeigt.

Nehmen wir an, dass sich die Spule im Uhrzeigersinn dreht. Für den hellgrauen Teil im Bild bedeutet dies, dass er sich nach rechts bewegt, der blaue Teil hingegen bewegt sich nach links. Unter Anwendung der Rechten-Hand-Regel erkennen wir, dass im grauen Teil des Drahtes der Strom „nach hinten“ und im blauen Teil „nach vorne“ fließt.

Rechte-Hand-Regel und Hufeisenmagnet mit rotierender Spule - die wichtigsten Grundlagen der Funktionsweise eines Generators


Wechselstrom ist am einfachsten zu erzeugen

Die Richtung des Stromflusses ist der Schlüssel zum Verständnis, warum der oben vorgestellte Generatoraufbau nicht Gleichstrom (DC, wegen direct current im Englischen), sondern Wechselstrom (AC, wegen alternating current im Englischen) erzeugt. Bekanntlich ist Gleichstrom durch einen unidirektionalen Fluss elektrischer Ladung gekennzeichnet. Dieser entsteht, wenn sich die Elektronen in einem Leiter alle in die gleiche Richtung bewegen und dabei insbesondere diese Richtung mit der Zeit nicht ändern. Wenn sie stattdessen ihre Richtung ändern und sich hin- und herbewegen, so spricht man von Wechselstrom. Warum wird also letzterer hier erzeugt?

Wenn sich die Spule dreht, wird der graue Teil irgendwann einen Punkt erreichen, der am weitesten rechts liegt. Nach diesem Punkt beginnt er dann, sich nach links zu bewegen. Wenn sich der Draht jedoch nach links bewegt, besagt die Rechte-Hand-Regel, dass der Stromfluss in die „rückwärtige“ Richtung gehen muss. Das haben wir zuvor bei dem blauen Draht beobachtet. Genauso wird auch der blaue Draht beginnen, sich nach rechts zu bewegen, und der Stromfluss in diesem Teil wird sich ebenfalls umkehren. Wir sehen also, dass sich bei jeder halben Umdrehung die Richtung des Stromflusses umkehrt. Dies ist genau die Beobachtung, die Wechselstrom charakterisiert.

Natürlich ist es auch möglich, Gleichstrom zu erzeugen. Tatsächlich ist das gar nicht mal so viel komplizierter, wenn man einige simple Tricks kennt. Um mehr über diese zu erfahren, werfen Sie gerne hier einen Blick auf den zweiten Teil dieses Artikels.


Stator und Rotor sind zentral für die Funktionsweise des Generators

Im Kontext von Windkraftanlagen hört man häufiger die Begriffe „Stator“ und „Rotor“. Dabei handelt es sich nicht direkt um Generator-Bauteile, sondern um Einheiten aus jeweils mehreren Komponenten.


Stator

Der Begriff „Stator” ist von dem Word „stationär“ abgeleitet. Er beschreibt alle Teile des Generators, die sich auch dann nicht bewegen, wenn der Generator aktiv ist und Energie produziert. In der oben beschriebenen Grundanordnung bestünde der Stator aus dem Hufeisenmagneten, der außerhalb der Spule platziert ist. In den meisten modernen Generatoren besteht der Stator jedoch aus den Spulen. Der Grundaufbau wird also in der Regel umgedreht.


Rotor

Der Rotor eines Generators ist der Teil, der sich bewegt. Normalerweise ist der der Stator außen angeordnet und der Rotor bewegt sich innerhalb des Stators. Wie bereits erwähnt, enthält der Stator normalerweise die Spulen. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass der Rotor die Magnete enthält und somit ein bewegtes Magnetfeld erzeugt. Die Magnete können entweder auf der Oberfläche des Rotors montiert, in dessen Oberfläche eingebettet oder im Inneren des Rotors installiert werden.

Durch eine mechanische Eingangsleistung in eine Drehbewegung versetzt, bewegt der Rotor also ein magnetisches Feld durch die im Stator sitzenden Spulen und erzeugt dadurch darin einen induzierten Strom. Diese mechanische Eingangsleistung wird natürlich durch die Welle der Rotorblätter zur Verfügung gestellt. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die von den Turbinenblättern erzeugte Drehung nicht einfach direkt in den Generator weitergeleitet werden kann. Die Rotationsgeschwindigkeit reicht nämlich in der Regel nicht aus, um eine sinnvolle Menge an Strom zu erzeugen. Deshalb wird die Drehzahl vor dem Anschluss an den Generator durch ein Getriebe erhöht. Dieses ist meist ein Planetengetriebe und erzeugt ein recht hohes Geschwindigkeitsverhältnis, z.B. etwa 1:20 bei kleinen vertikalachsigen Windturbinen. Bei der Auswahl eines Generators für die Anwendung mit einer Windturbine ist die Schnittstelle zwischen Rotorwelle und Generator ein entscheidender Punkt, den es zu beachten gilt.

Ein weiteres Detail: Der Abstand zwischen Rotor und Stator sollte möglichst gering sein. Dies ist zwei Gründen geschuldet:

1. Zur Erhöhung des Generator-Wirkungsgrades, da größere Abstände unerwünschte Wirbelströme erzeugen.

2. Zur Minimierung der für die Herstellung von Magneten benötigten Seltenen Erden.


Die Bauteile von Generatoren

Der einfachste Generator ist also ein zweipoliger Rotor (ein Nordpol und ein Südpol), dessen Stator an ein elektrisches Stromnetz angeschlossen ist. Die Phasenanzahl und die Frequenz des Wechselstroms sind normalerweise durch das Netz festgelegt, da sie daran angepasst werden müssen. Im Falle des europäischen Stromnetzes sind die zu erfüllenden Parameter eine Phase mit einer Frequenz von 50 Hz. Was genau bedeutet das und wie hängt es mit dem Aufbau eines Generators zusammen?


Pole

Wie oben besprochen, erzeugt der am einfachsten zu bauende Generator zunächst einmal Wechselstrom. Diese Art von Strom kann prinzipiell eine Vielzahl verschiedener Formen annehmen, nimmt aber meist das Aussehen einer einfachen Sinuskurve an. Um diese Form genauer zu beschrieben, kann man zwei verschiedene Eigenschaften näher untersuchen: Amplitude und Frequenz.

Grundsätzlich bestimmt die Amplitude, wie hoch die „Berge“ und wie tief die „Täler“ der Kurve sind. Diese Werte entsprechen der erzeugten Spannung. Die Frequenz ist jedoch noch wichtiger. Sie gibt an, die viele Höhen und Tiefen die Kurve in einer bestimmten Zeitspanne durchläuft. Wie bereits erwähnt, ist es entscheidend, die Frequenz der Leistungsabgabe des Generators genau zu kontrollieren, da er sonst nicht an das Stromnetz angeschlossen werden darf. Dies ist eine Herausforderung, weil die Frequenz im Allgemeinen direkt mit der Drehgeschwindigkeit der Rotorwelle am Generatoreingang zusammenhängt. Wenn man bedenkt, dass die meisten Windkraftanlagen während ihrer Lebenszeit einer Vielzahl unterschiedlicher Windbedingungen ausgesetzt sind, nicht zuletzt auch Windstille und Stürmen, so ist klar, dass man in irgendeiner Weise kontrollieren muss, wie viel von der Drehgeschwindigkeit der Turbine auf den Generator übertragen wird.

Aber das ist nicht das einzige Problem hinsichtlich der Frequenz: selbst wenn der Rotor sich mit konstanter Geschwindigkeit dreht, liegt die resultierende Frequenz in der Regel sehr viel niedriger als bei 50 Hz. Theoretisch wäre es möglich, dieses Problem mit einem weiteren Getriebe zu lösen. Wesentlich einfacher ist jedoch folgendes: anstatt nur zweier Pole verwendet man mehrere, zum Beispiel sechs Stück. Dadurch erfahren die Spulen eine entsprechend höhere Anzahl von Magnetfelddurchläufen, obwohl sich die Drehgeschwindigkeit überhaupt nicht verändert hat. Trotzdem liegt die Frequenz dadurch wesentlich höher.


Spulen

Zusätzlich zu Amplitude und Frequenz gibt es noch ein weiteres Merkmal, das verschiedene Arten von Wechselstrom unterscheidet: die Anzahl an Phasen. Wir haben bereits erkannt, dass Wechselstrom aus einer Sinuskurve bestehen kann. Das ist natürlich auch weiterhin richtig, aber es muss nicht unbedingt genau eine einzige Sinuskurve sein. Vielmehr ist es üblich, dass Wechselstrom gleich drei verschiedene Sinuskurven enthält, die einen zeitlich leicht versetzt sind. Wenn also zu einem bestimmten Zeitpunkt eine Sinuskurve ihren Hochpunkt erreicht, so erreicht die zweite Kurve ihren Hochpunkt erst etwas später, die dritte Kurve danach noch etwas später.

Die technische Umsetzung, um diese Art von Strom zu erzeugen, ist eigentlich ganz einfach: Im Generator verwendet man nun nicht mehr nur eine Soule, sondern so viele wie die Anzahl an Phasen, die man erzeugen möchte. Die Spulen ordnet man winkelversetzt zueinander an, sodass das Magnetfeld sie nacheinander durchläuft.


Schleifringe

Die Notwendigkeit von Schleifringen ist vielleicht nicht auf den ersten Blick ersichtlich. Sie wird jedoch deutlich, wenn man bedenkt, dass sein Generator sowohl rotierende als auch feststehende Komponenten hat und zwischen diesen geschlossene Stromkreise bereitstellen muss. Versucht man, dies mit einer einfachen Kabelverbindung umzusetzen, kann man sich unschwer vorstellen, wie diese Kabel sich mit jeder Generatorumdrehung mehr und mehr ineinander verheddern und brechen. Dieses Problem wird durch die Verwendung von Schleifringen behoben.

Im Wesentlichen sind Schleifringe zylindrische Ringe, die an rotierenden Kabeln befestigt sind, sodass sie sich mit diesem mitdrehen. Die Rotation der Ringe ist jedoch wesentlich leichter zu handhaben als die der Kabel an sich. Mit simplen feststehenden Gegenstücken, die am Umfang der zylindrischen Ringe angebracht werden, kann der Stromkreis geschlossen werden.


Bremse

Die Bremse eines Generators dient zum Schutz der Maschine vor Überlastschäden. Typischerweise werden hierfür sogenannte Ausschaltbremsen verwendet. Diese bestehen aus elektromechanischen Scheiben, die erst durch das Anbringen einer Spannung geöffnet werden. Im Falle der Unterbrechung der Spannungszufuhr schließt die Bremse automatisch. Das bedeutet, dass die Turbinenwelle solange fixiert ist, wie sich die Rotorblätter nicht im Wind drehen, also eben keine Energie erzeugen. Dies stellt für Montage, Transport und Wartung einen Sicherheitsmechanismus dar.

Darüber hinaus gibt es interne Steuerelektronik, die die Bremse automatisch betätigt, sobald eine Überlastungsgefahr festgestellt wird. Diese kann zum Beispiel durch Überschreiten der zulässigen Temperatur, elektrischen Spannung oder Drehzahl entstehen. Bei zu starkem Wind wird die Bremse meist auch aktiviert, um die Rotordrehung zu arretieren.


Leistungselektronik

Die meisten Generatoren haben eingebaute Sensoren, die die Wärmeentwicklung (Temperatur), Strom, Spannung und Drehgeschwindigkeit der Maschine überwachen. Wenn definierte Grenzwerte erreicht warden, wird die Drehung gestoppt und die Bremse aktiviert. Die Reaktivierung der Bremse kann entweder durch Neustart der Turbine oder über einen Kommunikationspunkt erfolgen.


Steuerungssysteme

Steuerungssysteme dienen dazu, das Drehmoment und die Leistung des Antriebsstrangs zu begrenzen, um dessen Lebensdauer zu erhöhen. Dieser erfährt aufgrund aerodynamischer und struktureller Belastungen starke Ermüdung. Die Strukturfestigkeit einer Windkraftanlege kann meist bis zu einer bestimmten Wind- bzw. Rotationsgeschwindigkeit problemlos aufrechterhalten werden. Sobald diese sogenannte Abschaltgeschwindigkeit erreicht ist, muss die Rotation begrenzt werden,

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