Windstrom: Fachlicher Hintergrund

Für den Inhalt Windkraftanlagen ist zum einem das Thema Strömung sowie Umwandlung dieser mechanischen Energie (Strömung/Wind) in elektrische Energie bzw. die damit in Zusammenhang stehende Kraftübertragung durch Getriebe relevant. Neben diesem spielt im Arbeitsfeld Windkraftanlagen das Thema Wartung von Windkraftanlagen bedeutende Rolle. So wurde die Rotorblattreparatur (Kleben einer Schadstelle) als Spielinhalt aufgenommen.

Erzeugen von Strömung am Beispiel einer Strömungspumpe

Die Aufgabe von Strömungspumpe besteht darin, z.B., dass Wasser in Aquarien umzuwälzen und so eine konstante Sauerstoffversorgung vorzunehmen. In Meerwasseraquarien simulieren sie zudem eine Strömung, die dem natürlichen Lebensraum der Tiere entspricht. Im Allgemeinen lässt sich das Funktionsprinzip einer solchen Pumpe durch das Induktionsprinzip erklären, in welchem ein Elektromagnet am Motor, einen Permanentmagneten an der Welle des Motors antreibt und so über die Rotorblätter die nötige Strömung erzeugt wird.

Erzeugen von Strömung am Beispiel einer Lüftungsanlage

Der Volumenstromregler bestehend aus einem Motor (blauer Kasten),  welcher das  Zahnrad antreibt. Dieses befindet sich wiederum auf einer Welle, welche ebenfalls mitt den Lüftungsklappen verbunden ist.

Auf der Welle ist zudem die Wellen-Klemmvorrichtung (hellblau) des Drehwinkelbegrenzers angebracht. Der Drehwinkelbegrenzer stellt in Maximalpositionen (Lüftungsklappe vollständig geöffnet bzw. geschlossen) den Motor aus.

Der Volumenstrom von Lüftungsanlagen wird über die Einstellung von Lüftungsklappen geregelt. Die Einstellung der Lüftungsklappen erfolgt wiederum durch Volumenstromregler.

3D-Drucker

Hauptaufgabe der 3D-Drucker ist neben der Erstellung von Prototypen und Modellen auch die Einzelanfertigung von Bauteilen. Typische Produktionsmaterialien für den 3D-Druck sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken, Metalle und Holz. Nicht jeder Drucker basiert auf demselben Modellierungsprozess, so sind die häufigsten Verfahren selektives Laserschmelzen, selektive Lasersintern, Stereolithografie oder auch Digital Light Processing. Grundlage für den Druck stellt eine Modellierung des gewünschten Produktes mittels CAD-Programm dar.

Windkraftanlagen

Bauteile und Funktionsweise

Eine Windkraftanlage hat die Aufgabe die Windenergie in elektrische Energie umzuwandeln und diese dem Stromnetz zur Verfügung zu stellen. Wesentliche Bestandteile einer Windkraftanlage sind Rotornabe, Rotorblätter sowie die nachgelagerte Maschinengondel. In dieser Gondel sind Generator, Getriebe und Bremsvorrichtungen installiert. Trifft der Wind nun auf die Rotorblätter der Anlage, werden diese in Bewegung versetzt. Diese Energie/ Bewegung treibt das Getriebe des Generators an, welcher wiederum die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt.

Die Gondel selbst ist auf einem schwenkbaren Turm installiert, welcher durch ein massives Fundament abgesichert wird. Im Inneren des Turms befindet sich ein Aufstieg sowie in der Regel ein Fahrstuhl um die Wartung der Anlage zu garantieren. Zuletzt beherbergt eine solche Anlage Steuerungs/- und Regelungstechniken sowie die Netzanschlüsse. Diverse Sensoren sowie die Windrichtungsnachführung, haben dabei die Aufgabe die richtige Ausrichtung der Rotorblätter zu finden um den maximalen Ertrag aus der Windenergie zu gewinnen.

Getriebe einer Windkraftanlage

Ein Getriebe dient zur Übertragung und Umformung von Bewegung, Energien und Kräften. Die Übertragung erfolgt dabei über Wellen und Lager. Es existieren verschiedene Bauformen und Varianten von Getrieben. Zwei typische Getriebearten für WEA sind das Stirnradgetriebe und das Planetengetriebe.

Die Aufgabe des Getriebes einer Windkraftanlage besteht darin eine Veränderung von Drehzahl und Drehmoment vorzunehmen. Aufgrund der relativ niedrigen Rotordrehzahlen der dreiflügeligen Windkraftanlage erfolgt mittels Getriebe eine Erhöhung der Drehzahl auf die Netzfrequenz durch ein entsprechendes Getriebe, bevor die Rotation in einem Generator in elektrische Energie umgewandelt wird. So drehen sich die Rotorblätter langsam mit einem hohen Drehmoment.

Wälzlagerwechsel

In Getrieben moderner Windenergieanlagen sind zahlreiche Wälzlagerungen erforderlich. Dieses Maschinenelement hat dabei die grundlegende Aufgabe die Lage zweier zueinander beweglichen Maschinenteilen zu sichern und die Kräfte dabei zu übertragen. Der Aufbau eines solches Wälzlager besteht im Allgemeinen aus zwei Laufringen (einem Außen/- und Innenring). Zwischen diesen beiden Ringen umschließt ein Käfig die verschiedenen Wälzkörper, welche die Aufgabe besitzen die Reibung zu verringern. Im Vergleich zu Gleitlagern, wo dies meist über Schmierstoffe geschieht, übertragen bei den Wälzlagern die Kräfte über Rollreibung an die beiden Laufringe.

Für das Wechseln eines fest auf der Welle sitzenden Wälzlagers wird dieses zunächst mittels Abzieher von der Welle gezogen. Zum Aufziehen eines Lagers wird der Effekt der Wärmedehnung genutzt. So ist der Innenring des Ersatzwälzlagers zu erwärmen, welches sich daraufhin ausdehnt und so auf die Welle aufgezogen werden kann. Nach Abkühlen des Lagers sitzt dieses fest auf der Welle.

Einsatz von Klebstoffen zur Reparatur von Rotorblattschäden

Die Reparatur von Rotorblattschäden, wie beispielsweise offene Laminat-Stellen durch Aufprall von Hagelkörnern oder Insekten, Strukturschäden durch Risse oder Lunker bzw. Blitzschäden stellt in der Instandsetzung von Windkraftanlagen eine wichtige Tätigkeit dar.

Ein typischer Reparaturablauf sieht dabei folgendermaßen aus:

1. Abschleifen des beschädigten Laminats – Glattschleifen von Unebenheiten

2. Oberfläche für die Laminierung muss sauber und trocken sein

3. Auftragen von Spezialkleber mittels Rolle oder mit Spachtel

4. Aufkleben von Glasfasergewebe

5. Erneutes Überstreichen des Gewebes mit Spezialkleber

6. Schritte 4 und 5 mehrfach wiederholen

7. Aushärten des Harzes

8. Oberflächenfinish: Glattschleifen der Klebestelle und Herstellen einer Schutzschicht durch Lackieren der Oberfläche (Wetterschutzfarbe)

Klebstoffe

Um die stetig größer werdenden Rotorblätter von Windkraftanlagen möglichst effizient herzustellen werden diese in der Regel komplett geklebt. Dafür kommen hochdynamisch belastbare Strukturklebstoffe zum Einsatz, die auch Umlaufgeschwindigkeiten von 250 bis 300 km/h und den dabei entstehenden extremen Belastungen standhalten.

Bei den zur Reparatur von Rotorblättern zum Einsatz kommenden Klebstoffen handelt es sich um Epoxidharze, welche mittels Härter abgebunden werden. Dabei sind das Mischungsverhältnis von Harz und Härter (z.B. Polyesterharz: 100 Gewichtsteile Harz mit 1 bis 3 % Härter) und die Topfzeit (=Verarbeitungsdauer) des Klebers zu beachten. Das Mischungsverhältnis von Harz und Härter ist dabei abhängig von der Umgebungstemperatur: je wärmer umso weniger Härter.

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Fotos: M. Knorn/TU Dresden