Durch die Zufuhr von potenzieller oder kinetischer Energie in die Wasserturbine beginnt diese sich zu drehen. Wird ein Generator an die Wasserturbine angeschlossen, kann dieser Strom erzeugen. Durch Anheben des Wasserstands wird die Turbine gespült, wodurch sich ihre Drehzahl erhöht. Je größer also der Wasserstandsunterschied ist, desto mehr kinetische Energie wird von der Turbine aufgenommen und desto höher ist die in elektrische Energie umwandelbare Menge. Dies ist das Grundprinzip der Wasserkraft.
Der Energieumwandlungsprozess funktioniert folgendermaßen: Die potenzielle Energie des stromaufwärts liegenden Wassers wird in die kinetische Energie des Wasserstroms umgewandelt. Beim Durchströmen der Turbine wird diese kinetische Energie auf die Turbine übertragen, welche wiederum den Generator antreibt und so die kinetische Energie in elektrische Energie umwandelt. Es handelt sich also um die Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie.
Aufgrund der unterschiedlichen natürlichen Gegebenheiten von Wasserkraftwerken variieren Leistung und Drehzahl der Wasserkraftgeneratoren stark. Kleine und schnelllaufende Impulsturbinen-betriebene Generatoren sind meist horizontal, große und mittelschnelllaufende Generatoren hingegen überwiegend vertikal aufgebaut. Da die meisten Wasserkraftwerke weitab von Städten liegen, müssen sie die Verbraucher über lange Übertragungsleitungen mit Strom versorgen. Daher stellt das Stromnetz höhere Anforderungen an die Betriebsstabilität der Generatoren: Die Motorparameter müssen sorgfältig ausgewählt werden; die Anforderungen an das Trägheitsmoment des Rotors sind hoch. Aus diesem Grund unterscheidet sich der Wasserkraftgenerator optisch von dem einer Dampfturbine. Sein Rotordurchmesser ist groß und seine Länge gering. Die Anlauf- und Netzanschlusszeiten sind relativ kurz, und der Betrieb lässt sich flexibel steuern. Neben der allgemeinen Stromerzeugung eignen sie sich besonders für Spitzenlastabdeckung und als Notstromaggregate. Die maximale Leistung von Wasserkraftgeneratoren beträgt 700.000 Kilowatt.
Das Funktionsprinzip eines Generators ist im Physikunterricht der Oberstufe gut erklärt. Es basiert auf dem Gesetz der elektromagnetischen Induktion und dem Gesetz der elektromagnetischen Kraft. Daher besteht das allgemeine Konstruktionsprinzip darin, mithilfe geeigneter magnetischer Leitfähigkeit und leitfähiger Materialien einen Magnetkreis zu bilden, der durch gegenseitige elektromagnetische Induktion elektromagnetische Energie erzeugt und so die Energieumwandlung ermöglicht.
Der Wasserturbinengenerator wird von der Wasserturbine angetrieben. Sein Rotor ist kurz und dick, wodurch die Anlaufzeit und die Netzanbindung schnell erfolgen und der Betrieb flexibel gesteuert werden kann. Neben der allgemeinen Stromerzeugung eignet er sich besonders für Spitzenlastabdeckung und als Notstromaggregat. Die maximale Leistung von Wasserturbinengeneratoren beträgt 800.000 Kilowatt.
Der Dieselgenerator wird von einem Verbrennungsmotor angetrieben. Er springt schnell an und ist einfach zu bedienen, seine Stromerzeugungskosten sind jedoch hoch. Er wird hauptsächlich als Notstromaggregat, in Gebieten ohne Netzanschluss oder in mobilen Kraftwerken eingesetzt. Die Leistung reicht von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Kilowatt. Das Drehmoment an der Dieselmotorwelle unterliegt periodischen Schwankungen, daher müssen Resonanzen und Wellenbrüche unbedingt vermieden werden.
Die Drehzahl des Wasserkraftgenerators bestimmt die Frequenz des erzeugten Wechselstroms. Um die Frequenzstabilität zu gewährleisten, muss die Rotordrehzahl stabilisiert werden. Dies kann durch Regelung der Antriebsmaschine (Wasserturbine) im geschlossenen Regelkreis erreicht werden. Das Frequenzsignal des abzugebenden Wechselstroms wird abgetastet und an das Regelsystem zurückgeführt, welches den Öffnungs- und Schließwinkel der Leitschaufeln der Wasserturbine steuert, um deren Ausgangsleistung zu regeln. Durch dieses Regelungsprinzip lässt sich die Generatordrehzahl stabilisieren.
Veröffentlichungsdatum: 08.10.2022
