Technologie der Kleinwindenergieanlagen · Generatorarten Permanenterregt synchron • 3phasen Drehstrom – Kontinuierliche Leistungsabgabe – Sehr effiziente Energieübertragung

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© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters

Technologie der

Kleinwindenergieanlagen

2. BWE – Kleinwindanlagen – Symposium"Kleinwindanlagen: Windenergie für Jedermann

in der Stadt und auf dem Land"

Möwenpick Hotel Kassel

17. Oktober 2009

Geringfügig gegenüber Vortag am 17.10.2009 korrigiert


2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)

Themengebiete

• Vorstellung INENSUS

• Kurzer Einstieg in die physikalischen Grundlagen der Windenergienutzung

• Vorstellung der einzelnen Systemkomponenten und Vergleich der Varianten– Rotor

– Generator

– Steuerungs- und Sicherheitssysteme

• Systeme zur– Batterieladung

– Netzeinspeisung

– Pumpen und Heizung

• Sicherheitsanforderungen und Produktkennzeichnung

2

2



INENSUS GmbH

3

• INENSUS GmbH (9 Mitarbeiter)

• INtegrated ENergy SUpply Systems

• Standort am: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen efzn



Funktionsprinzip des Rotors (1)● Stillstand

4

4 m/s 4 m/s

WindRotor

4 m/s4 m/s

1 2

3



Funktionsprinzip des Rotors (2)● Betrieb mit Leistungsabgabe

5

1/3 *4

m/s

4 m/s

WindRotor

4 m/s1/3 *4

m/s

1

2



Funktionsprinzip des Rotors (3)● Energie der bewegten Luft

6

2

2

1v

t

m

Zeit

EnergiekinetischePwind ==

( ) 2

2

1vvAPwind ⋅⋅= ρ

3

2

1vAPwind ⋅⋅= ρ

Leistung ist abhängig von:1. Luftdichte 2. Rotorfläche3. Windgeschwindigkeit (hoch 3)

4



Funktionsprinzip des Rotors (4)● Grenzen der Energiewandlung

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Wind

Wind

Wind

Roto

r

Albert Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen (1926)

Maximale Ausnutzung des Rotors bei Auftriebs-läufern, wenn

„Erntegrad“

12 31 vv ⋅=

2v

%5927

16,

≈=BetzPc

1v



Technische Nutzung● Verluste im System

8

ElektronikGenerator

GetriebeRotor

BetzpwindWEA cPP

ηη

ηη

⋅⋅

⋅⋅

⋅=, physikalisch nutzbar

aerodynamische und mechanische Verluste

elektrische Verluste

59%

70…90% 90…95%

80…90% 90…99%

5



Rotorarten (1)● Widerstandsläufer

9

2

2AvcSchub S

ρ=

Funktionsprinzip:• Rotorblatt weicht dem Wind aus

Wind

Wind

Wind

- Niedrige Drehzahl- Schlechter Wirkungsgrad+ einfache Rotorblätter+ Viel Drehmoment im

Stillstand



Rotorarten (2)● Auftriebsläufer

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- wenig Drehmoment im Stillstand

- aufwendige und teure Rotorblätter

+ hohe Rotordrehzahl+ guter Wirkungsgrad

Wind

Wind

Wind

Rotorblatt

Auftrieb

Widerstand

6



Rotortypen (1)● Savonius Rotor

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Wind

Wind

Wind

Wind

Wind

• auch mit mehr Rotorblättern

• Rotorblätter teilweise versetzt

+ gutes Anlaufverhalten+ leise (sehr niedrige

Drehzahl)+ viel Drehmoment aus

dem Stillstand- teurer

Getriebegenerator- niedriger

Wirkungsgrad



Rotortypen (2)● Darrieus Rotor

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Wind

Wind

Wind

Wind

Wind

Auftrieb

Auftrieb

+ leise (niedrige Drehzahl)

+ keine Richtungs-nachführung

- teurer Generator- teure

Rotorkonstruktion- selbständiger Anlauf

nur mit mehr als 2 Rotorblättern• alternativ zusätzliche

Anlaufhilfe: Savonius / elektrisch

- hohe Rotorträgheit- ungünstige Nutzung

der Rotorfläche

7



Rotortypen (3)● Horizontalachs- 3blattrotor

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+ geringes Gewicht+ einfache

Generatoranbindung+ gute Nutzung der

Rotorfläche+ schnell laufender

Generator- etwas lauter- Windrichtungsnach-

führung notwendig- wenig Drehmoment

im Stillstand



Rotorkennfeld (1)● Schnelllaufzahl

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indigkeitWindgeschw

itchwindigkeUmfangsges=λ

Widerstandsläufer λ < 1

Auftriebsläufer λ > 1

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Rotorkennfeld (2)● Vergleich der Rotortypen

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0,5

0,4

0,3

0,2

0

0,1

≈ L

eis

tun

gskoeff

izie

nt

cp

≈ Schnelllaufzahl1 2 3 4 5 6 7 8 9

Eigene Darstellung nach: Gasch/Twele: Windkraftanlagen



Rotorkennfeld (3a)● Synthese zum Kennfeld

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Roto

rle

istu

ng

[W

]

Rotordrehzahl [1/min]

v=4 m/s

v=6 m/s

v=8 m/s

v=10 m/s

v=12 m/s

v=14 m/s

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Rotorkennfeld (3b)● Synthese zum Kennfeld

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0

Roto

rle

istu

ng

[W

]

2 4 6 8 10 12 14 16 18

Leistungskurve

Windgeschwindigkeit [m/s]



Rotorkennfeld (4)● Leistungskurve

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Leis

tun

g

2 4 6 8 10 12 14 16 180

WindP

eanlageWindenergiP


Technische Verluste

Leistungs-begrenzung

3~ v

Nennleistung

Häufigste Wind-geschwindigkeiten

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Generatorarten● Permanenterregt synchron

• 3phasen Drehstrom– Kontinuierliche Leistungsabgabe

– Sehr effiziente Energieübertragung auf 3 Leitern (lange Entfernungen möglich, es ist kein Rückleiter wie beim Einphasenwechselstrom erforderlich)

– Robuster und preiswerter Aufbau des Generators

• Permanenterregung– Generatorisches Bremsen bei Ausfall externer Energiequellen möglich

– Keine Schleifringe für Erregerstrom notwendig -> keine Verschleißteile

– Rastmoment bei Anlauf kann problematisch sein

• Leerlaufspannung und Frequenz sind proportional zur Drehzahl– Bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten auch unterschiedliche Spannungen

– Unterschiedliche Frequenz nicht problematisch, da stets gleichgerichtet wird

– Anpassung der Last entsprechend Spannung oder Drehzahl notwendig, damit der Rotor optimal belastet wird

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Steuerungs- und Sicherheitssysteme

• Drehzahlüberwachung

• Generatorüberwachung

• Manuelle Abschaltung

• Notabschaltung

• Rüttelfehler bei Unwucht und Eisansatz

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Systeme zur Batterieladung (1)● Aufbau

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3~

Lade-regler

Batterie

Haupt-schalter

DC-Verbraucher

Wechsel-richter

Gleich-richter

Lade-regler



Systeme zur Batterieladung (2)● Funktionsprinzip

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G3~

Generator Gleichrichter Batterie

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Systeme zur Batterieladung (3)● Zusammenfassung

• Generator liefert Drehstrom (3phasiger Wechselstrom)– Variable Frequenz und variable Spannung

• Bei niedrigen Drehzahlen läuft der Rotor im Leerlauf

• Sobald gleichgerichte Spannung größer ist als die Batteriespannung, fließt ein geringer Ladestrom über den Gleichrichter

• Die Batterie begrenzt den Anstieg der Spannung

• Je nach Wind kann der Rotor beschleunigen, es fließt mehr Strom

• Generator funktioniert wie Fahrraddynamo und regelt die Spannung unabhängig von der Drehzahl

• gute Belastung des Rotors durch den Generator passend zur aktuellen Windgeschwindigkeit

• Batterie wird geladen

• Überladung schadet der Batterie, daher ist ein Laderegler notwendig, der eigentlich ein Überladeschutz ist

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Systeme zur Batterieladung (4)● Einsatzgebiete

• Ländliche Elektrifizierung

• Wochenendhäuser

• Wohnwagen

• Sportboote

• Wetterstationen

• Verkehrsüberwachung

• Forschungsstationen

• Pumpstationen

• Mobilfunkstationen

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Systeme zur Netzeinspeisung (1)● Übersicht

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Quelle: www.sieb-meyer.de



Systeme zur Netzeinspeisung (2)● elektrische Energiewandlung

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Quelle: www.sieb-meyer.de

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Systeme zur Netzeinspeisung (3)● Zusammenfassung

• Generator liefert Drehstrom– Variable Frequenz und variable Spannung

• Drehstrom wird gleichgerichtet

• Ab einer Mindestdrehzahl (Mindestspannung) versorgt der Generator den Einspeiseumrichter

• Einspeisung ins Netza. die zu niedrige Spannung wird elektronisch hochgesetzt und wechselgerichtet ins

Netz eingespeist

b. die Gleichspannung wird wechselgerichtet und über einen Trafo an die Netzspannung angepasst und eingespeist

• Für Netzeinspeisung ist nach VDE 0126 eine Netzüberwachung mit Freischaltschnittstelle vorgeschrieben

• Während der Netzüberwachung und bei Netzausfall muss der Generator belastet werden, damit der Rotor nicht hochdreht, dabei sich selbst und den Wechselrichter zerstört.

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Systeme zur Netzeinspeisung (4)● Einsatzgebiete

• Selbstversorgung– Einspeisung ins Hausnetz

– Nutzung des Stromes mit den vorhandenen Geräten

– Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch ist gering

– Zuschalten in der Leistung regelbarer Verbraucher (meist Heizung)

– Überschuss fließt ungezählt zurück ins Netz (normaler Stromzähler)

• Einspeisung nach EEG– Einspeisung über einen separaten Stromzähler ins Netz

– Vergütung des gesamten erzeugten Stromes nach dem EEG

– Zusätzliche Installationskosten für Stromzähler und jährliche Messkosten

• Betrieb eines autarken Systems– Inselsystem mit Batterie, Wechselrichter, etc. nur wirtschaftlich, wenn kein

Netzanschluss verfügbar

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Systeme zum Wasserpumpen● Aufbau

• Über Widerstandsläufer direkt angetriebene Kolbenpumpen sind weltweit verbreitet, haben aber einen relativ schlechten Wirkungsgrad

• Verbesserungen sind möglich in Verbindung mit einer geregelten und hocheffizienten Pumpe mit und ohne Batterie als Zwischenspeicher

• Umgehung des Speicherproblems elektrischer Energie durch Speicherung des geförderten Wassers

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Systeme zum Heizen● Übersicht

• Elektrische Heizung– Lufterwärmung

– Wassererwärmung mit einer elektrischen Heizpatrone

– Problem: Wärme kann nicht unbegrenzt vom Heizsystem aufgenommen werden, Sicherheitsabschaltung der Heizpatrone erforderlich -> andere Belastungseinheit für den Rotor oder Leistungsreduzierung/Abschaltung muss vorhanden sein

– Direkter Anschluss eines elektrischen Widerstandes an den Generator ist nicht möglich, der Rotor läuft dann nicht mehr an

– Elektronischer Leistungsregler für Heizpatrone notwendig

• Direkte Wärmeerzeugung– mit einer Wasserwirbelbremse ohne elektrischen Generator

– Heizkreislauf mit Hin- und Rückleitung muss bis zur WEA geführt werden

– Frostschutz für Wasserkreislauf

30

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Sicherheitsanforderungen (1)● Normen

IEC DIN EN 61400-2: Sicherheit kleiner Windenergieanlagen

• Überdrehzahl– Redundantes System, d.h. auch bei Ausfall einer Komponente (z.B. Generator)

darf die maximale Rotordrehzahl nicht überschritten werden

– Zusätzliche Bremseinrichtung notwendig

• Windklasse (muss passend zu Standort gewählt werden)– Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit

– Überlebenswindgeschwindigkeit

• Hauptschalter– Freischalten der elektrischen Betriebsmittel

– Abschalten des Rotors zur Wartung, vor Sturm

• Betriebsanweisung– Abschaltung bei Sturm

– Betrieb und Wartung

• Standsicherheit, Blitzschutz, Eisansatz

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Sicherheitsanforderungen (2)● Windklassen nach EN 61400-2

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Wind-klasse

Jahres-mittel

[m/s]

v_ref[m/s]

Rayleigh

I 10 50

II 8,5 42,5

III 7,5 37,5

IV 6 300%

2%

4%

6%

8%

10%

12%

14%

0 5 10 15 20 25

Hä

ufi

gk

eit


v=10

v=8,5

v=7,5

v=6

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Vergleich der Systeme● AC- und DC-Kopplung

WechselspannungsseitigeKopplung

GleichspannungsseitigeKopplung

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Produktkennzeichnung

• CE-Zeichen

– Hersteller erklärt Konformität mit den Europäischen Normen (Maschinenrichtlinie)

– Hersteller muss Gefahrenanalyse durchführen

– DIN EN 61400-2

• Leistungskennlinie

– Gemessen nach DIN EN 61400-12

• Schall

– Gemessen nach DIN EN 61400-11

• Dokumentation

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