Rotor und Rotorblätter - ein Überblick

Das Herzstück einer Windkraftanlage ist der Rotor. Er besteht aus mehreren Rotorblättern, die an einer Nabe befestigt sind. Mit dem Rotor wird die Windenergie in mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Im Folgenden sollen Aufbau und Funktionsweise dargestellt sowie Konzepte der Leistungsregulierung vorgestellt werden.



1. Rotorblätter

Die Rotorblätter sind sehr wichtige und elementare Bestandteile einer Windkraftanlage. An sie werden unterschiedlichen Anforderungen  gestellt und sie sind sehr hohen Belastungen ausgesetzt.


Funktionsweise

Mit den Rotorblättern wird die Windenergie aus der Luft „entnommen“. Die Rotorblätter „fangen“ den Wind ein und leiten aus dessen Bewegungsenergie die  Leistung an die Nabe weiter. Das Profil ähnelt dabei dem von Flugzeugtragflächen. Rotorblätter nutzen dasselbe Auftriebsprinzip: An der Flügelunterseite erzeugt die vorbeiströmende Luft einen Überdruck, an der Oberseite hingegen einen Sog. Diese Kräfte versetzen den Rotor in eine Vorwärts-, sprich Drehbewegung.


Rotorblatt auf der Internationalen Konferenz
Erneuerbare Energien in Bonn, 2004, Photo by WWEA



Anzahl der Rotorblätter

Heute dominiert der dreiflüglige, horizontal gelagerte Rotor mit einem Durchmesser von ca. 40-90 Meter.


Windkraftanlage mit drei Rotorblättern - hier im Windpark Sintfeld, Germany, Photo by WWEA



Der dreiflügelige Rotortyp hat sich durchgesetzt, wohingegen es früher noch „Einflügler“, Anlagen mit zwei Blättern und „Vielflügler“ mit vielen Blättern (am bekanntesten die amerikanische „westernmill“ zur Wassergewinnung mit 20 bis 30 Rotorblättern aus Blechschaufeln) gab.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass drei Rotorblätter die optimale Energieausbeute bei großen Windkraftanlagen zur Stromgewinnung gewährleistet. Ferner bedeutet drei Rotorblätter eine gleichmäßigere Massenverteilung. Dies bewirkt einen ruhigeren Lauf aus und hinterlässt somit beim Betrachter einen „ruhigeren“ Eindruck.


Verwendetes Material

Die Rotorblätter werden hauptsächlich aus glas- beziehungsweise kohlefaserverstärkten Kunststoffen (GFK, CFK) gefertigt. Die Schichten sind meist mit Epoxidharz verklebt. Weniger verbreitet sind hingegen Holz, Holz-Epoxid oder Holz-Faser-Epoxid-Verbundwerkstoffe. Ein großer Vorteil von Holzrotorblättern besteht in Ihrer Recyclingfähigkeit.

Aluminium und Stahllegierungen haben Nachteile in Bezug auf Gewicht und Materialermüdung. Aus diesem Grund werden diese Materialien derzeit nur für sehr kleine Windkraftanlagen verwendet.



Design und Profil

Jeder Hersteller hat  eigene Rotorblattkonzepte und forscht an einem innovativen Design, es gibt sehr unterschiedliche Variationen. Generell sind jedoch alle Rotorblätter ähnlich wie Flugzeugflügel konstruiert.



2. Nabe

Die Nabe ist die Mitte der Rotorfläche, an der die Rotorblätter montiert sind. Der hierzu verwendete Werkstoff ist Grau- oder Stahlguss.

Die Nabe leitet die Energie von den Rotorblättern an den Generator weiter. Bei Windkraftanlagen mit Getrieben bedeutet dies, dass die Nabe mit der langsam drehenden Welle des Getriebes verbunden ist und so die Energie aus dem Wind in eine Drehbewegung umwandelt. Bei getriebelosen Anlagen überträgt die Nabe die Energie direkt an den Ringgenerator.



Rotornabe Enercon E82 auf der Hannover-Messe Energy - International, Photo by WWEA



Das Rotorblatt kann unterschiedlich an der Nabe befestigt werden: Entweder geschieht dies starr, gelenkig (Ñschlagendì) oder pendelnd. Letzteres wird durch eine spezielle Bauweise des Zweiblattrotors ermöglicht, dessen Doppelblatt als Ganzes pendelnd an der Nabe verankert werden kann.

Die meisten Hersteller setzen derzeit auf eine starre Nabe. Dies gilt als solide, hält den Anteil an beweglichen und störanfälligen Bauteilen niedrig und ist konstruktiv verhältnismäßig überschaubar.



3. Leistungsregulierung

Die Leistungsaufnahme einer Windkraftanlage muss regulierbar sein. Bei zu starkem Wind wird die Leistung reguliert, um Schäden an der Anlage zu verhindern. Es gibt generell zwei Konzepte zur Leistungsregulierung:

Stall-Regelung (Regelung durch Strömungsabriss)

Die Rotorblätter sind bei Anlagen mit einer Stall-Regelung mit einem festen Winkel an der Rotornabe angebracht. Das Rotorblattprofil ist dabei so ausgelegt, dass sich bei zu hoher Windgeschwindigkeit an der windabgewandten Seite des Rotorblatts Turbulenzen bilden. Zugleich wird die Leistungsaufnahme bei sehr starkem Wind auf „natürliche Weise“ durch den Asynchrongenerator begrenzt. Er fesselt die Drehzahl der Anlage an die Frequenz des elektrischen Netzes, so dass der Rotor auch bei sehr starkem Wind nicht schneller drehen kann. Dadurch reißt die Strömung an den Flügeln ab (stall) und die Leistungsaufnahme der Anlage wird so (ohne eine Blattwinkelverstellung) begrenzt.

Eine Modifikation stellt die so genannte Aktiv-Stall-Regelung dar, bei der eine Verstellung der Rotorblätter möglich ist. Diese Regelung wird vor allem bei den großen Windkraftanlagen (> angewandt. Bei zu starken Winden werden die Rotorblätter in den Wind gedreht, so dass der Strömungsabriss verstärkt wird.

Der Vorteil der Aktiv-Stallregelung wird darin gesehen, dass die Leistungsabgabe genauer geregelt werden kann als bei der (Passiv-)Stallregelung.


Pitch-Regelung (Blattwinkelverstellung)

Die ab 1990 bis 2000 zur Marktreife entwickelten Regelungskonzepte beruhen auf einer Rotorblattwinkelverstellung („pitch“ = englisch für Anstellwinkel). Jedes einzelne Rotorblatt kann dabei stufenlos verstellt werden. Der Antrieb der Verstellung kann dabei mechanisch (bei Anlagen mit kleiner Leistung < 00 kW), hydraulisch (ab 300 kW) oder elektrisch (am häufigsten verwendet, vor allem für große Anlagen (> 00 kW) erfolgen.

Ein Regler misst ständig die Leistungsabgabe der Anlage. Bei zu starkem Wind  werden die Rotorblätter – meist nur den Bruchteil eines Grades – um ihre Längsachse aus dem Wind gedreht. Auf diese Weise wird der Auftrieb verringert, so dass auch bei hohen Windgeschwindigkeiten die Leistungsabgabe des Rotors ab der Nennleistung konstant bleibt.



Links und Literatur





Written by:
WWEA World Wind Energy Association
www.wwindea.org