Generatorenkonzepte

Hinsichtlich der Generatoren kann eine allgemeine Unterscheidung zwischen Konzepten mit Asynchrongeneratoren und Konzepten mit Synchrongeneratoren gemacht werden.

Asynchrongeneratoren

Konzept mit Asynchrongenerator und Schlupfregelung

Windenergieanlagen mit einer direkten Netzeinspeisung (Dänisches Konzept) haben den Nachteil, dass die Rotordrehzahl starr ist, was hohe mechanische Beanspruchungen und einen insgesamt niedrigeren Leistungsbeiwert zur Folge hat.

Die Ausbeute ist nur für eine Windgeschwindigkeit optimal und Böen sowie ein sehr starker Wind belasten den Rotor und den Triebstrang. Um diese Nachteile zu reduzieren, ist ein Konzept entwickelt worden, das mit einem oder mehreren Asynchrongeneratoren arbeitet und eine leichte Variation der Drehzahl über eine gewissen Zeitraum ermöglicht. Lässt man bei Böen oder Starkwinden kurzzeitig die Rotordrehzahl variieren, entlastet das die Struktur und verlängert somit die Lebensdauer der Anlage. Hierzu muss der Asynchrongenerator mit einem Schleifringen gebaut werden, die es erlauben im Betrieb Vorwiderstände in den Läuferkreis zu- und abzuschalten. Bei diesem Konzept kann die Leistungsabgabe des Rotors optional durch eine Blattwinkelverstellung geregelt werden und leicht drehzahlvariabel arbeiten.

Der Asynchrongenerator kann durch eine Schlupferhöhung bei Böen oder starkem Wind „drehzahlweich“ rotieren, um Belastungen für die Struktur deutlich zu reduzieren. Hierbei kann die Böe in eine Drehzahl- und damit in eine Schlupferhöhung umgesetzt werden, welche dann durch eine Blattwinkelverstellung der Rotorblätter aufgefangen werden muss. Problematisch ist, dass die entstehende Verlustleistung als Wärme an die Umgebung abgegeben wird und nicht als Energieertrag genutzt werden kann. Daher eignet sich diese Maßnahmen auch nur für den kurzzeitigen Einsatz. Mit diesem Konzept werden die mechanischen Belastungen bei böigem Wind reduziert.

Konzepte mit doppelt gespeisten Asynchrongenerator

1996 kam ein neues Anlagenkonzept auf den Markt, das seitdem stetig wachsende Verkaufszahlen aufweisen kann: Das Konzept des drehzahlvariablen Rotors mit doppelt gespeistem Asynchrongenerator.

Dieses Konzept verwendet einen drehzahlvariablen Rotor, der mit der Verstellung der Rotorblätter (Pitch-Regelung) geregelt wird. Die Windenergieanlage ist mit einem Getriebe und einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator (dASG) ausgerüstet. Ein Umrichter verbindet das elektrische Netz mit dem Läufer des Generators. Dies ermöglicht einen übersynchronen sowie einen untersynchronen Betrieb zur Netzfrequenz und damit ist der Generator drehzahlvariabel. Nur ein Teil des Stroms bzw. der Leistung muss mit dem Umrichter  an die gewünschte Frequenz und Leistung angepasst werden.

Dieses Konzept bietet zwei Vorteile im Vergleich zum Konzept mit einem Synchrongenerator:

  • Ein Asynchrongenerator ist billiger als ein Synchrongenerator.
  • Nur ein Teil (etwa 20 bis 40 Prozent) der erzeugten Leistung wird durch den Umrichter umgesetzt: der Umrichter ist daher kleiner, billiger und verlustärmer, woraus sich ein besserer Wirkungsgrad des Systems insgesamt ergibt.

Synchrongeneratoren

Konzepte mit Synchrongenerator (permanent- und fremderregt)

Um die Probleme des dänischen Konzepts zu vermeiden bezeihungsweise zu lösen ist 1993 ein neues Konzept entwickelt worden: Eine drehzahlvariable Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator und indirekter Netzeinspeisung. Diese Entwicklung wurde Dank der parallelen Entwicklung der Leistungselektronik in den 1980er und 1990er Jahren möglich.

Dieses Konzept hat vier Hauptmerkmale:

  • Eine variable Rotordrehzahl: die Rotordrehzahl kann sich an jede Windgeschwindigkeit anpassen und damit eine optimale aerodynamische Leistung erzeugen.
  • Die Leistungsregelung wird durch die Blattwinkelverstellung (Pitch-Regelung) realisiert: Lasten auf die Blätter sowie Schallemissionen werden im Vergleich zur Stall-Regelung vermindert.
  • Ein Synchrongenerator wandelt die mechanische Energie zu elektrischer Energie um.
  • Ein Umrichter passt die volle Generatorleistung an die gewünschte Spannung und Frequenz an. Weil der Generator nicht mit einer bestimmten Drehzahl arbeitet, produziert er Elektrizität mit variabler Frequenz. Diese kann nicht direkt ins Netz eingespeist werden und muss durch den Umrichter an die Netzfrequenz angepasst werden.

Dieses Konzept unterteilt sich in zwei „Unter-Konzepte“:

Das klassische Konzept verwendet ein Getriebe zwischen Rotor und Synchrongenerator. Der Generator dreht sich sehr schnell (circa 500 bis 1800 Umdrehung pro Minute) und kann relativ klein sein. Die Verwendung eines Getriebes ist jedoch nicht problemlos: Dieses stellt zehn bis 25 Prozent der Kosten einer Windenergieanlage, produziert Verluste und Wärme, nutzt sich ab, benötigt Wartung, Ölwechsel und Reparaturen.

Eine andere Möglichkeit ist das getriebelose Konzept. Bei diesem ist der Synchrongenerator (ein Ringgenerator) direkt an die Nabe gekoppelt und dreht sich langsam mit der  Rotordrehzahl (6 U/min bis 40 U/min). Dieses Konzept ist sehr kompakt mit weniger Bauteilen und kaum Mechanik. Nachteil ist hauptsächlich der Ringgenerator, der viel teurer, größer und schwerer als ein klassischer Synchrongenerator ist. Dieser Gewichtunterschied vergrößert sich mit der Leistungsklasse. Für große Windkraftanlagen ist die gesamte Gondel viel größer und schwerer, trotz der geringeren Anzahl an Bauteilen.

Permanent- und fremderregter Synchrongenerator

Der Synchrongenerator kann als permanent- oder fremderregte Version ausgeführt werden. Beim permanent erregten Synchrongenerator werden für die Erzeugung des Läufer-Magnetfeldes Dauermagneten eingesetzt. Es wird kein zusätzlicher Gleichstrom für den Betrieb benötigt. Jedoch kann somit auch keine Beeinflussung der Ausgangsleistung und Blindleistung vorgenommen werden. Der fremderregte Synchrongenerator benötigt Gleichstrom zur Erzeugung des Läufer-Magnetfeldes. Die Ausgangsleistung und Blindleistung kann über die Fremderregung gesteuert werden. Es werden Schleifringe benötigt um den Gleichstrom dem Läufer zuzuführen. Sie erhöhen den Wartungsaufwand des Generators.