Unter Kleinwindkraftanlagen versteht man Systeme zur regenerativen Erzeugung elektrischer Energie aus dem Wind mit Nennleistungen von einigen Kilowatt (maximal etwa 100 kW) und Rotordurchmessern von einigen Metern (maximal etwa 16m). Während große Windkraftanlagen im Megawattbereich bereits weit verbreitet sind und ihre Kinderkrankheiten überwunden haben, ist der Sektor der Kleinanlagen erst im Aufbau begriffen. Eine Untersuchung zeigt, dass Kleinwindkraftanlagen nicht einfach nur kleine Windkraftanlagen sind – sie unterscheiden sich hinsichtlich Technik als auch Wirtschaftlichkeit oft wesentlich von ihren großen Brüdern. Da es bis dato nur wenig wissenschaftliche Literatur zu diesem Thema gibt, hat es sich diese Arbeit zum Ziel gesetzt, einen Überblick über die wichtigsten Aspekte im Zusammenhang mit dem Betrieb von Kleinwindkraftanlagen zu bieten. Auf Details zur Konstruktion und Auslegung von Anlagen wird nicht eingegangen.
Die Arbeit ist im wesentlichen in drei Teile gegliedert: Begonnen wird mit einer Analyse des derzeitigen Marktes der Kleinwindkraftanlagen. Die verschiedenen grundlegenden Anlagentypen werden an Hand von typischen Vertretern vorgestellt. Beispiele für mögliche Anwendungsgebiete werden gegeben, und die unterschiedlichen Konzepte der Gesamtsysteme werden erläutert.
Im zweiten Teil erfolgt eine Beschreibung der technischen Konzepte der einzelnen Komponenten einer Anlage, wie Generator, Wechselrichter, Laderegler, Leistungsregelung, usw., wobei ein besonderes Augenmerk auf die verschiedenen Arten des Maximum Power Point Trackings und der Lastanpassung gelegt wird. Zum Vergleich werden die bei modernen Großanlagen verwendeten Konzepte erwähnt.
Der letzte Teil befasst sich mit einer Untersuchung der Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen. Da hierbei die Windverhältnisse eine entscheidende Rolle spielen, wird zuerst
gezeigt, wie bei der Wahl des richtigen Anlagenstandorts vorzugehen ist, und welchen Einfluss die mittlere Windgeschwindigkeit auf den Energieertrag hat. Sodann werden die
Stromgestehungskosten einer Kleinwindkraftanlage ermittelt, und es wird eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt, um den Einfluss der verschiedenen Parameter abschätzen zu können. Abschließend erfolgt ein Vergleich mit den üblichen Einspeisetarifen und Strompreisen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Markt und Anwendung von Kleinwindkraftanlagen
2.1 Einteilung von Kleinwindkraftanlagen
2.1.1 Rotortyp
2.1.2 Rotordurchmesser
2.1.3 Mechanisch-elektrischer Triebstrang
2.1.4 Aerodynamische Leistungsregelung
2.1.5 Einteilung nach Größenklassen
2.2 Recherche der aktuellen Marktsituation
2.2.1 Quellen für die Marktrecherche
2.2.2 Statistische Analyse der Anlagenmodelle
2.3 Beispiele für typische Anlagen
2.3.1 Batterielader der Micro-Klasse: Air X
2.3.2 1,4 kW-Anlage zur Haushaltsunterstützung: Passaat
2.3.3 Anlage zur Haushaltskomplettversorgung: Antaris 5,0 kW
2.3.4 Eine moderne Vertikalachsenanlage: qr5
2.3.5 Eine gewerbliche Anlage mit 35 kW: PGE 20/35
2.4 Sonderbauformen
2.4.1 Savonius-Rotoren
2.4.2 Schleifenförmige Horizontalachsen-Rotoren
2.4.3 Turbinen mit Windenergie-Konzentratoren
2.4.4 Weitere Sonderbauformen
2.5 Anlagen-Gesamtkonzepte und Einsatzbeispiele
2.5.1 Batterielader
2.5.2 Wind/Diesel-Inselnetze
2.5.3 Systeme zur Heizungsunterstützung
2.5.4 Systeme zum Wasserpumpen
2.5.5 Netzeinspeisung
2.5.6 Anlagen zur Dachmontage
3 Technik von Groß- und Kleinanlagen im Vergleich
3.1 Rotor
3.1.1 Propellertyp
3.1.2 Darrieus-Rotor
3.1.3 H-Rotor
3.1.4 Savonius-Rotor
3.2 Generator
3.2.1 Gleichstrommaschine
3.2.2 Fremderregte Synchronmaschine
3.2.3 Permanenterregte Synchronmaschine
3.2.4 Asynchronmaschine
3.2.5 Zusammenfassung
3.3 Lastanpassung
3.3.1 Mechanische Lastanpassung
3.3.2 Maximum Power Point Tracking
3.3.3 Lastanpassung ohne MPPT-Verfahren
3.4 Netzeinspeisewechselrichter
3.4.1 Ausgangsspannung
3.4.2 Inselbildungsschutz (ENS)
3.4.3 MPPT
3.4.4 Spannungsfestigkeit
3.4.5 Drehzahlbegrenzung
3.4.6 Stand-By-Betrieb
3.4.7 Galvanische Trennung
3.5 Aerodynamische Leistungsregelung
3.5.1 Pitch-Regelung
3.5.2 Aktive Stall-Regelung
3.5.3 Passive Stall-Regelung
3.5.4 Aus-dem-Wind-Drehen
3.5.5 Anlagen ohne aerodynamische Leistungsbegrenzung
3.6 Windrichtungsnachführung
4 Wirtschaftlichkeit
4.1 Standortwahl
4.1.1 Vorgangsweise bei Großanlagen
4.1.2 Vorgangsweise bei Kleinanlagen
4.1.3 Micrositing
4.2 Ertragsprognose
4.2.1 Leistungskurve
4.2.2 Häufigkeitsverteilung der Windgeschwindigkeiten
4.2.3 Berechnung des Jahresertrags
4.3 Stromgestehungskosten
4.3.1 Investitionskosten
4.3.2 Lebensdauer
4.3.3 Zinssatz
4.3.4 Volllaststundenzahl
4.3.5 Berechnung der Stromgestehungskosten und Sensitivitätsanalyse
4.3.6 Vergleich mit Einspeisetarifen
5 Zusammenfassung und Ausblick
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Literaturverzeichnis
1 Einleitung
Großwindkraftanlagen im Megawatt-Bereich haben ihre Kinderkrankheiten überwunden und werden nun schon seit den 1990er-Jahren als Energiequelle kommerziell intensiv genutzt, ein blühender Industriezweig ist hier entstanden. Währenddessen fristen Kleinwindkraftanlagen mit Leistungen im Bereich von einigen bis einigen -zig Kilowatt ein Nischendasein, finden sie doch nur bei Idealisten und in Spezialanwendungen Verwendung. In letzter Zeit ist in dieses Gebiet jedoch Bewegung gekommen, wie beispielsweise folgender Artikelausschnitt zeigt:
In den nächsten 12 Jahren, also bis 2020, setzt sich die britische Windenergievereinigung (BWEA) zum Ziel, 30% der Energieversorgung des vereinten Königreichs durch die Windkraft bereitzustellen. (...) Etwa 1% vom Energiebedarf soll raus 600.000 Kleinwindkraftwerken bereitgestellt werden. [31]
Auch auf der Konsumentenseite wächst der Wunsch mehr und mehr, den Strombedarf durch eine eigene Erzeugungsanlage zu decken, sei es, um einen aktiven Beitrag zum Klimaschutz zu leisten, sei es, um sich von der Preisvorgabe der großen Energieversorger unabhängig zu machen. Es fragen sich nun viele Verbraucher, ob dafür nicht auch eine Nutzung der Windkraft, wie nach dem Vorbild der Photovoltaik, in Frage käme. Die IG Windkraft als Interessenvertretung der österreichischen Windenergiebetreiber bekommt mehrmals wöchentlich Anfragen zu diesem Themengebiet; in Deutschland wurde im Jänner 2009 der Bundesverband Kleinwindanlagen gegründet - das Interesse am Thema ist also evident. Während man bei den konventionellen Großwindkraftanlagen allerdings auf umfangreiche Literatur zurückgreifen kann, gibt es bei den Kleinwindkraftanlagen nur vergleichsweise wenige wissenschaftliche Arbeiten, erst recht was die aktuelle Situation der Kleinwindkraftanlagen in Österreich betrifft. Beispielsweise besitzt die IG Windkraft im Augenblick keinerlei Zahlenmaterial über die in Österreich installierten Kleinanlagen [39]. Auch lässt sich das vorhandene Wissen aus der intensiven Forschungstätigkeit und aus den Erfahrungen bei Großanlagen nicht unmittelbar auf Kleinwindkraftanlagen umlegen: Kleinwindkraftanlagen sind eben nicht einfach kleine Windkraftanlagen - das betrifft die Technik genauso wie die Wirtschaftlichkeit. Viele Konzepte, die bei Großanlagen zum Einsatz kommen, sind für Kleinanlagen häufig einfach zu aufwendig. Umgekehrt können manchmal recht einfache Lösungsansätze, die bei Großanlagen beispielsweise aus sicherheitstechnischen oder wirtschaftlichen Gründen nicht umgesetzt werden können, bei Kleinanlagen erfolgreich angewandt werden. Diese Tatsachen erfordern und rechtfertigen eine gesonderte Befassung mit der Thematik „Kleinwindkraftanlagen“. Die vorliegende Diplomarbeit soll hierzu einen ersten Überblick bieten und ist daher im wesentlichen als Literaturrecherche angelegt, an manchen Stellen erfolgt allerdings auch eine vertiefende Darstellung, insbesondere wenn die gefundenen Abhandlungen in der bereits existierenden Literatur zu unvollständig erschienen. Bei der Lektüre wird ein Grundwissen über Windkraftanlagen im Allgemeinen vorausgesetzt. Der unvorbelastete Leser findet eine knappe Einführung in [27], ein sehr umfassende Darstellung bietet [25], stärker mathematisch orientiert ist [26].
Begriffsbestimmung „Kleinwindkraftanlage“. Um Missverständnissen vorzubeugen, soll einmal geklärt werden, was denn eigentlich Gegenstand einer Arbeit zum Thema „Kleinwindkraftanlagen“ ist.
Für das Wort „Windkraftanlage“ - unabhängig davon, ob es sich um eine große oder kleine Anlage handelt - gibt es einige mehr oder weniger gleichwertige Synonyme, z.B. (ohne Anspruch auf Vollständigkeit)
- Windkraftanlage
- Windenergieanlage
- Windanlage
- Windturbine
- Windrad
- Windkraftwerk.
In [27, S. 8] und [25, S. 77] wird versucht eine gewisse Ordnung in die Nomenklatur zu bringen. Demnach sind „Windernergieanlage“ und „Windanlage“ recht allgemein gehaltene Begriffe und bezeichnen Maschinen, die die kinetische Energie des Windes in technische Nutzarbeit umwandeln, sei es mechanische, hydraulische, thermische oder elektrische. In Anlehnung an unsere Vorstellung beim Begriff „Kraftwerk“ liegt der Schwerpunkt bei „Windkraftanlagen“ in der Erzeugung elektrischer Energie. Die Bezeichnung „Windkraftwerk“ sollte auf Grund der im Vergleich zu konventionellen Kraftwerken bescheidenen Leistung vermieden werden (es sei denn, es handle sich um einen Windpark mit einigen 100 MW Leistung). „Windrad“ und „Windturbine“ beziehen sich eher auf den Wandler der kinetischen Windenergie in mechanische Energie, bezeichnen also den Rotor alleine.
In der Praxis wird kaum konsequent zwischen diesen Begriffen unterschieden. In wissenschaftlicher Literatur wird eher der Begriff „Windkraftanlage“, in Normen und Gesetzestexten eher „Windenergieanlage“ verwendet. Da der Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit bei der Erzeugung elektrischer Energie liegt, wird bevorzugt der Begriff „(Klein)Windkraftan- lage“ gebraucht.
In welcher Größenordnung bewegen sich nun Kleinwindkraftanlagen? Es gibt unterschiedliche Definitionen. Sehr häufig wird auf die Definition nach der Norm IEC 61400-2 Bezug genommen:
„kleine Windenergieanlage KWEA: Anlage mit 200m2 oder weniger vom Rotor überstrichener Fläche, das [sic!] die kinetische Energie des Windes in elektrische Energie umwandelt“ [37, S. 11]
Im Abschnitt 1 („Anwendungsbereich“) dieser Norm wird auch noch festgelegt, dass die Anlage eine Spannung unter 1000 V Wechselspannung oder 1500 V Gleichspannung erzeugen muss [37, S.6]. Aussagen über Nennleistungen oder die Turmhöhe werden in dieser Norm nicht gemacht.1
Eine andere übliche Festsetzung ist die Einführung einer Obergrenze von 100 kW Nennleistung. Diese Definition verwenden unter anderem der deutsche Bundesverband WindEnergie (BWE) und die American Wind Energy Association (AWEA).
2 Markt und Anwendung von Kleinwindkraftanlagen
Nach der Vorstellung eines einfachen Schemas zur Einteilung von Kleinwindkraftanlagen erfolgt in diesem Kapitel eine Analyse der derzeitigen Marktsituation. Dafür werden zuerst mögliche Quellen für eine Recherche angegeben, und einige Zahlen genannt, die das Marktangebot auch quantitativ beschreiben. Sodann werden aus der Vielzahl der angebotenen Modelle einige typische ausgewählt, die im Detail vorgestellt werden, um dem Leser ein Gefühl für Aussehen, Ausführung, Eigenschaften und Preise moderner Kleinwindkraftanlagen zu geben. Ergänzend werden einige Sonderbauformen vorgestellt. Den Abschluss dieses Kapitels bilden die Anwendungsgebiete für Kleinwindkraftanlagen samt den dafür notwendigen Konzepten der Gesamtsysteme.
2.1 Einteilung von Kleinwindkraftanlagen
Um einen ersten Überblick über das Angebot an Kleinwindkraftanlagen zu bekommen, ist eine gewisse systematische Einteilung der Anlagen hilfreich. Eine solche Kategorisierung ist im Prinzip nach jedem Bauteil, ja nach jeder Eigenschaft einer Anlage möglich, hat aber keinen Wert mehr, wenn dies zu sehr auf die Spitze getrieben wird. Im folgenden wird daher die Einteilung nur nach jenen Kriterien vorgenommen, die einen wesentlichen Einfluss auf konstruktive Fragestellungen haben. Auf technische Details der Komponenten wird dann in Kapitel 3 genauer eingegangen.
2.1.1 Rotortyp
Der Rotor hat die Aufgabe, die kinetische Energie des Windes in mechanische Rotationsenergie umzuwandeln und ist daher das zentrale Bauelement jeder Windkraftanlage. Seine Eigenschaften bestimmen maßgeblich das gesamte Verhalten der Anlage. Die verschiedenen Rotorbauformen lassen sich unter anderem durch folgende Kriterien einteilen:
- Achsstellung (horizontal/vertikal)
- Arbeitsprinzip (Auftriebsprinzip/Widerstandsprinzip)
- Ausrichtung zum Wind (Luv-/Leeläufer)
- Schnelllaufzahl A
- Anzahl der Rotorblätter
Auf Grund dieser Merkmale wären die unterschiedlichsten Konstruktionen denkbar. Tatsächlich lassen sich aber die am Markt befindlichen und für die Stromerzeugung geeigneten Anlagen im wesentlichen auf 4 Grundtypen reduzieren, wenn man die vielen Sonderbauformen, die jedoch kaum Marktpräsenz besitzen, vernachlässigt:
- Propellertyp
- Darrieus-Rotor
- H-Rotor
- Savonius-Rotor
Eine genauere Beschreibung der Eigenschaften dieser Grundtypen erfolgt in Abschnitt 3.1.
2.1.2 Rotordurchmesser
Der Rotordurchmesser D ist ein quantitatives Einteilungsmerkmal. Die mechanische Leistung Pmech des Rotors beträgt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
mit dem Leistungsbeiwert nach Betz cp, der Luftdichte [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten], der ungestörten Windgeschwindigkeit [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten] und der wirksamen Rotorfläche A. Für einen Rotor mit horizontaler Achse (Propellertyp) ist die wirksame Rotorfläche eine Kreisscheibe, sodass gilt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
der Rotordurchmesser geht also quadratisch in die Leistung der Anlage ein. In der Praxis kann nicht die ganze Kreisscheibe zur Energiewandlung verwendet werden, beispielsweise auf Grund des Maschinenhauses oder weil das Profil der Rotorblätter aus konstruktiven Gründen nicht bis zur Nabe reicht. Dies ist durch einen entsprechenden Abschlagsfaktor zu berücksichtigen.
2.1.3 Mechanisch-elektrischer Triebstrang
Für den mechanisch-elektrischen Triebstrang, bestehend aus Getriebe, Generator und eventuell Umrichter lassen sich wieder einige Einteilungskriterien angeben:
- Getriebe (keines/einstufig/zweistufig)
- Drehzahl (fix/variabel)
- Netzkopplung (netzgekoppelt/Inselbetrieb)
- Generatorart
- Umrichter (mit/ohne)
Auf die unterschiedlichen Generatorarten und ihren Zusammenhang mit Drehzahlvariabilität, Netzkopplung und Umrichter wird ausführlich in Abschnitt 3.2 eingegangen.
2.1.4 Aerodynamische Leistungsregelung
Für die Regelung der aus dem Wind aufgenommenen mechanischen Leistung gibt es folgende Möglichkeiten, die die mechanische Konstruktion des Rotors wesentlich beeinflussen:
- Pitch-Regelung
— aktiv
— passiv
- Stall-Regelung
— aktiv
— passiv
- Aus-dem-Wind-Drehen
Eine detaillierte Beschreibung der verschiedenen Arten der aerodynamischen Leistungsregelung und ihrer Eignung für Kleinwindkraftanlagen erfolgt in Abschnitt 3.5.
2.1.5 Einteilung nach Größenklassen
Kleinwindkraftanlagen nach Definition der Norm IEC 61400-2 sind mit einem Rotordurchmesser von bis zu 16 m nur mehr klein im Vergleich zu Multimegawattanlagen (Rotordurchmesser 100m und mehr). Der deutsche Bundesverband Kleinwindanlagen schlägt daher eine Unterteilung der Kleinwindkraftanlagen in 4 Klassen vor [5]:
- Micro-Windturbinen (Maximal 1,5 kW Nennleistung bzw. 6 m2 Windangriffsfläche)
- Hausanlagen auf dem Dach oder direkt mit dem Haus verbunden als Nebengebäude ohne Größen-Beschränkungen dem Gebäude angepasst
- Kleinwindanlagen zur Selbstversorgung bis einschließlich 6 kW Nennleistung
- Kleinwindanlagen bis maximal 200 m2 Windangriffsfläche (IEC 61400-2)
Eine ähnliche Einteilung nimmt die American Wind Energy Association (AWEA) vor, und zwar:
- Nennleistung 0 ... 0,9 kW: Mikroanlagen („micro wind“)
- Nennleistung 1... 10 kW: Anlagen für den Haushalt („residential“)
- Nennleistung 11... 20 kW: kleine gewerbliche Anlagen („commercial“)
- Nennleistung 21... 100 kW: große gewerbliche Anlagen („upper commercial“)
2.2 Recherche der aktuellen Marktsituation
Einen umfassenden Überblick über die weltweit verfügbaren Kleinwindkraftanlagen und deren Hersteller zu bekommen gestaltet sich überraschenderweise auch im Zeitalter des Internets schwierig. Viele Hersteller sind kleine bis mittlere Unternehmen, die im klassischen Maschinenbau, Anlagenbau oder in der Elektroindustrie tätig sind und sich mit Eigenkonstruktionen ein zweites Standbein schaffen wollen. Die Produktion ist meistens auf den lokalen Markt ausgerichtet, die Internetauftritte sind oft unprofessionell und wenig aussagekräftig. Noch schwieriger ist die Informationsbeschaffung falls keine Informationen auf Deutsch oder Englisch zugänglich sind, da hier zusätzlich die Sprachbarriere hinzukommt, was insbesondere bei Herstellern in Asien zutrifft.
Genauso schwierig ist die Beschaffung von Information über die Anzahl und Leistung bereits installierter Anlagen, ganz zu schweigen von Erfahrungsberichten und Betriebsergebnissen. Es gibt im Allgemeinen keine zentrale Stelle, bei der installierte Kleinwindkraftanlagen angemeldet werden müssen, inbesondere wenn es sich um nicht-netzgekoppelte Anlagen handelt. So besitzen auch die meisten nationalen Interessenvertretungen der Windkraftbranche kaum verlässliches Zahlenmaterial. Wieviele Kleinwindkraftanlagen tatsächlich in Österreich oder Deutschland installiert sind, ist nicht bekannt, der Bundesverband Kleinwindanlagen arbeitet derzeit aber an einer diesbezüglichen Studie für Deutschland [39, 33].
In diesem Zusammenhang daher bemerkenswert ist der jährlich von der American Wind Energy Association (AWEA) herausgegebene Bericht über den US-amerikanischen und globalen (!) Markt für Kleinwindkraftanlagen (Nennleistung < 100kW), aus dem hier einige Ergebnisse wiedergegeben werden sollen. Gemäß ihrer 2009 AWEA Small Wind Turbine Global Market Study [1] gibt es derzeit weltweit zumindest 219 Anlagenhersteller. Das Land mit den meisten Herstellern sind die USA (66), gefolgt von Japan (28), Kanada (23), UK (18) und Deutschland (16), siehe Abbildung 1. Österreich besitzt zumindest einen (1) Hersteller.2 19.000 Anlagen mit einer Gesamtleistung von 38,7 MW und einem Gegenwert von 156 Mio. US $ sollen 2008 weltweit verkauft und auch installiert worden sein, was einer Zunahme von 53 %3 gegenüber 2007 enstpricht. Abbildung 2 zeigt das enorme Wachstum an installierter Leistung für Kleinwindkraftanlagen seit 2006, aufgeschlüsselt nach der Anlagengröße (Marktsegmente wie auf Seite 7 beschrieben). Diese Abbildung gilt zwar nur für den US-Markt, ist aber dennoch interessant, spiegelt sie doch wider, wie der Sektor der Kleinanlagen an Fahrt aufgenommen hat. Sämtliche Verkaufszahlen in diesem Bericht stammen übrigens aus einer Umfrage unter den Herstellern. Eine vollständige Liste aller Hersteller wird in diesem Bericht allerdings nicht veröffentlicht.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 1: Die 10 Länder mit den meisten Herstellern für Kleinwindkraftanlagen, und Österreich [1, S. 11].
Ebenfalls für die Marktanalyse interessant, aber mit einem Fokus auf den europäischen Markt, sind die Berichte des WINEUR-Projekts (Wind Energy Integration in the Urban Environment) des Intelligent Energy Europe Programms der Europäischen Union, an dem unterschiedliche Partner aus dem UK, den Niederlanden und Frankreich beteiligt waren. Das Projekt lief von 2005 bis 2007 und hatte die Aufgabe, die Möglichkeiten der Windenergie-nutzung im städtischen Umfeld zu untersuchen, was natürlich unweigerlich zu einer genauen Analyse der Kleinwindkraft führte. Manche Zahlen sind vielleicht schon etwas überholt, und die Beschränkung auf das städtische Umfeld blendet andere Einsatzgebiete für Kleinwindkraftanlagen aus, trotzdem sollen hier wieder einige Ergebnisse präsentiert werden - besseres und umfassenderes Zahlenmaterial ist kaum zu finden. In Ihrem Catalogue of European Wind Turbine Manufacturers [71] vom Juli 2005 sind 57 Anlagenmodelle von 32 Herstellern verzeichnet. Die Zusammenstellung des Katalogs erfolgte durch eine Umfrage unter 45 europäischen Herstellern von Kleinwindkraftanlagen aus 15 Ländern. 65% der verzeichneten Anlagen haben eine horizontale, 35 % eine vertikale Achse. Im Begleittext zum Anlagenkatalog werden die Modelle noch hinsichtlich Windgeschwindigkeiten, Lärm, Lebensdauer und ähnlicher Parameter miteinander verglichen [73].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 2: Wachstum des US-Marktes für Kleinwindkraftanlagen, aufgeschlüsselt nach Marktsegmenten [1, S.5].
2.2.1 Quellen für die Marktrecherche
Bei der Suche nach einer Übersicht über konkret verfügbare Anlagen konnten folgende relevante Quellen ausfindig gemacht werden:
- Onlineresource http://www.allsmallwindturbines.com: Internetportal, das ver- sucht eine hersteller- und verbandsunabhängige Übersicht über alle weltweit verfügbaren Kleinwindkraftanlagen aufzubauen. Zum Zeitpunkt des Abrufs (15.08.2009) waren 353 Anlagen von 144 Herstellern eingetragen.
- Onlineresource http://www.kleinwindanlagen.de: Private Homepage des Klein- windkraftanlagen-Pioniers Uwe Hallenga mit Informationen zu Anlagen bis 10 kW Nennleistung. Zusätzlich zur Angabe der technischen Daten und Bezugsquellen wird versucht, Erfahrungsberichte der Betreiber zu sammeln. Etwa 57 Anlagen sind verzeichnet (Abruf 15.08.2009).
- Catalogue of European Urban Wind Turbine Manufacturers [71] mit Begleittext Urban Wind Turbines Technology review: A companion text to the Catalogue of European Urban Wind Turbine Manufacturers [73]. Marktübersicht des WINEUR-Projekts über Anlagen für das städtische Umfeld. 57 Anlagen von 32 europäischen Herstellern sind verzeichnet, der Stand des Katalogs ist allerdings Juli 2005.
- Onlineresource http://www.wind-energy-market.com: Marktübersicht des deutschen BWE. Vermutlich weil die Eintragungen für die Firmen kostenpflichtig sind, sind nur 21 Anlagen von 11 Herstellern verzeichnet (Abruf 15.08.2009).
- Wind Energy Market 2009: Technik, Märkte & Potentiale [6]. Gedruckte Form der Marktübersicht des BWE. Was den Markt der Kleinanlagen betrifft sind im wesentlichen die gleichen Informationen enthalten wie in der Onlineversion.
- Onlineresource http://www.windmesse.de: Internetportal für die gesamte Windenergiebranche. Im Bereich unter 100 kW sind 81 Anlagen von 51 Herstellern verzeichnet (Abruf 16.08.2009). Die Marktübersicht ist aber nur bedingt brauchbar, da über den größten Teil der Anlagen kaum technische Daten angegeben werden und Kontaktinformationen über die Hersteller nur auf Anfrage erhältlich sind.
- Windkraftanlagenmarkt 2008: Typen, Technik, Preise. (Sonderdruck der Zeitschrift Erneuerbare Energien) [59]. Eine Marktübersicht über den internationalen Windkraftanlagenmarkt, inklusive Großanlagen, heraussgegeben vom SunMedia Verlag. In der Kategorie bis 29 kW sind 42 Anlagen, in der Kategorie 30 bis 300 kW sind 11 Anlagen angeführt.
Wie kann nun aus diesen Quellen ein Überblick über die verfügbaren Anlagen gewonnen werden? Da es weltweit mehr als 200 Hersteller und somit ein vielfaches davon an Anlagenmodellen gibt, würde eine detaillierte Analyse aller Anlagen sehr aufwendig sein und den Rahmen dieser Arbeit bei weitem sprengen. Auf der anderen Seite ist der Informationswert einer solchen Analyse für den potentiellen Betreiber fragwürdig. Es wurde daher folgende Vorgangsweise gewählt:
1. Da das Internetportal www.allsmallwindturbines.com von den oben angeführten Quellen die umfangreichste Datenbank besitzt, wurde auf der Basis der dort angebotenen Informationen eine grobe statistische Analyse der verzeichneten Anlagen durchgeführt. Damit erkennt man, wo die Schwerpunkte am Markt hinsichtlich Bauform und -große liegen. Die Ergebnisse der Analyse finden sich in Abschnitt 2.2.2.
2. Wie bereits erwähnt handelt es sich bei vielen Herstellern um Betriebe, die Kleinwindkraftanlagen offensichtlich nur nebenbei oder zumindest in sehr geringen Stückzahlen und für den lokalen Markt bestimmt herstellen. Viele angepriesene Anlagen sind noch in Entwicklung befindliche Prototypen oder nur auf Anfrage erhältlich. Klammert man diese „Trittbrettfahrer“ aus und konzentriert sich auf professionell agierende, erfahrene Unternehmen mit serienreifen Produkten, so lichtet sich der Markt schnell. Aus den verbliebenen Modellen wurden nun einige typische Anlagen ausgewählt und im Detail vorgestellt. Die Selektion erfolgte dabei nach folgenden Kriterien:
- Es ist ausreichend Informationsmaterial zur Anlage beschaffbar.
- Die Anlage ist verbreitet und wird in relativ hoher Stückzahl hergestellt.
- Die Anlage ist möglichst schon länger am Markt.
- Das Herstellerunternehmen wurde schon vor längerer Zeit gegründet oder befasst sich schon seit längerem mit der Herstellung von Kleinwindkraftanlagen.
- Die Anlage soll möglichst von einem europäischen Hersteller stammen oder zumindest über einen europäischen Händler zu beziehen sein.
Die Vorstellung dieser Beispielanlagen erfolgt in Abschnitt 2.3.
3. Um durch die Beschränkung auf typische, gängige Modelle nicht in Gefahr zu geraten, interessante oder erst in Entwicklung befindliche Konstruktionen zu übergehen, sollen zumindest einige der Sonderbauformen vorgestellt werden, was in Abschnitt 2.4 geschieht.
2.2.2 Statistische Analyse der Anlagenmodelle
Von den 353 auf dem Internetportal www.allsmallwindturbines.com eingetragenen Modellen hatten 288 eine horizontale, 65 eine vertikale Achse. Sofern eine Nennleistung angegeben war oder ausfindig gemacht werden konnte, wurden die Anlagen vier verschiedenen Größenklassen zugeteilt (Marktsegmente gemäß AWEA). Abbildung 3 zeigt das Ergebnis. Die bei weitem größte Auswahl gibt es bei Anlagen im Mikro- (0 - 0,9 kW) und im Haushaltssegment (1 - 10kW). Mögliche Gründe können das größere Marktpotential für Anlagen, die gerade den Haushaltsstrombedarf decken können, und die breite Anwendung als Batterielader (vgl. Abschnitt 2.5.1) sein. Ein weiterer Grund wäre das für größere Anlagen notwendige technologische Know-How und die aufwendigere Fertigung - beides Hürden für Betriebe, die sich nur nebenbei mit der Produktion von Windkraftanlagen beschäftigen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3: Anzahl der in den verschiedenen Größenkategorien auf dem Internetportal www. allsmallwindturbines.com angebotenen Windkraftanlagenmodellen.
Weiters wurden die Horizontalachsenanlagen nach ihrer Rotorblattanzahl verschiedenen Klassen zugeteilt (Abb. 4). Der 3-Blatt-Propeller ist der mit Abstand vorherrschende Rotortyp. Außerdem wurden 15 Anlagen mit Sonderbauformen aufgeführt, die sich wesentlich von der Propellerbauform unterscheiden.
Analog dazu wurden die Vertikalachsenanlagen gemäß ihrer Rotorbauform und Blattanzahl Kategorien zugeordnet (Abb. 5). H-Rotoren mit 3 und 5 Rotorblättern sind die wichtigsten Bauformen. Neben verschiedenen Savonius-Varianten gibt es noch 2 Anlagen mit einer
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4: Angebot an Anlagen mit horizontaler Achse, aufgeschlüsselt nach der Anzahl der Rotorblätter.
Kombination aus Savonius- und H-Rotor, sowie 6 Sonderbauformen. Bemerkenswert ist, dass zumindest in dieser Marktübersicht keine einzige Anlage mit Darrieus-Rotor angeführt wird. Es sei aber darauf hingewiesen, dass auch diese Marktübersicht nicht vollständig ist - eine vollständige Liste aller Anlagen konnte nicht gefunden werden und wird es wohl auch nicht geben. Beispielsweise sind in der BWE-Martübersicht [6] einige H-Rotor-Modelle mit zwei Rotorblättern angeführt.
2.3 Beispiele für typische Anlagen
Es folgt nun die angekündigte Vorstellung von typischen Beispielanlagen. Soweit nicht anders angegeben beruhen alle technischen Daten und Beschreibungen auf Herstellerangaben.
2.3.1 Batterielader der Micro-Klasse: Air X
Die Air X Micro-Windkraftanlage (Abb. 6) wird von dem 1987 gegeründeten US-amerikanischen Unternehmen Southwest Windpower, Inc. (http://www.windenergy.com) hergestellt, dem nach eigenen Angaben Weltmarktführer bei Kleinwindkraftanlagen, und wird in Deutschland von der Firma Windpower Enertec4 vertrieben. Air X ist mit 90.000 seit
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 6: Die Southwest Windpower Air X [54].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 1: Technische Daten der Southwest Windpower Air X [54].
2002 produzierten Stück angeblich auch die meistverkaufte Kleinwindkraftanlage der Welt und wird in den Ausführungen Air X Land, Air X Marine (einsetzbar in korrosiver Seeluft) und Air X Industrial (besonders robuste Ausführung für Offshore-Plattformen, Sendemasten, etc.) angeboten. Die 400W-Anlage ist ein typischer Batterielader, wie er z.B. auf Segelbooten eingesetzt wird. Tabelle 1 zeigt die wichtigsten technischen Daten.
Die 3 Rotorblätter (horizontale Achse) bestehen aus kohlefaserverstärktem Thermoplastik, das Maschinengehäuse ist aus Aluminiumguss und in der Marine-Ausführung pulverbeschichtet. Die Windrichtungsnachführung erfolgt über eine Windfahne. Die mechanische Energie des Rotors wird ohne Getriebe in einer dreiphasigen, bürstenlosen Permanentmagnet-Synchronmaschine (PSM) in Drehstrom verwandelt, der von einer mikroprozessorgesteuerten und im Maschinengehäuse integrierten Leistungselektronik in Gleichspannung zur Batterieladung umgewandelt wird. Um die Probleme einer Kabelentdrillung zu umgehen, wird zur Überbrückung des Gierlagers (vertikale Achse der Windrichtungsnach-führung) die Gleichspannung über Schleifringe an die Anschlüsse im feststehenden Mast weitergegeben.
Die Anlage kennt verschiedene Betriebszustände, die alle vom Mikroprozessor gesteuert werden. Im normalen Ladebetrieb wird der angeschlossene Batteriesatz bis zu einer einstellbaren Ladeschlussspannung aufgeladen. Die Messung der tatsächlichen Batteriespannung erfolgt durch kurzes Unterbrechen des Ladestroms, um Fehlmessungen durch Spannungsabfälle an den Zuleitungen zum Batteriesatz zu vermeiden (vgl. Abschnitt 2.5.1). Ist die Ladeschlussspannung erreicht, wird die Ladung beendet, und der Rotor mit Hilfe des Generators auf eine niedrige Drehzahl abgebremst, bei der auch die Geräuschentwicklung minimal ist. Sinkt die Batteriespannung zu weit ab, wird der Ladebetrieb wieder aufgenommen. Bei Windgeschwindigkeiten über etwa 15,6 m/s (35 mph) geht die Anlage in den Stall-Modus, was durch Abbremsen des Rotors erreicht wird. Über 22 m/s (50 mph) wird die Anlage komplett abgeschaltet (Festbremsen durch den Generator) und verharrt in diesem Zustand für 5 Minuten.
Der Blatteinstellwinkel der Rotorblätter ist fix, sodass die Regelung der vom Wind aufgenommenen Leistung durch eine Kombination aus Stall-Betrieb und Drehzahlregelung durch den Generator erfolgt. Bei zu hoher Windgeschwindigkeit wird der Rotor offensichtlich in einen Drehzahlbereich gebracht, in dem die Schnelllaufzahl weit entfernt von der Auslegungsschnelllaufzahl (also der optimalen Schnelllaufzahl) ist oder die Strömung überhaupt abreisst (Stall). In jedem Fall wird so der Leistungsbeiwert wirksam herabgesetzt und damit die aufgenommene Windleistung reduziert. Bei normalen Windgeschwindigkeiten (unterhalb des Bremsbetriebes) wird die Drehzahl an den Wind angepasst, um eine optimale Schnelllaufzahl zu erreichen. Die Anlage besitzt kein eigenes Anemometer; die Ermittlung der optimalen Drehzahl erfolgt über ein Maximum Power Point Tracking (MPPT, auch Peak Power Tracking genannt, vgl. Abschnitt 3.3.2) [52, S. 22-24].
Die mit diesem Regelungskonzept erreichbare Windausbeute zeigt Abbildung 7. Der Hersteller gibt Diagramme für zwei verschiedene Fälle an: Die oberen Kurven beziehen sich auf ideale Bedingungen mit konstantem, nicht-turbulentem Wind, die unteren gelten für reale Bedingungen mit turbulenten Windverhältnissen.
Die Anlage ist zur Montage auf einem Mast gedacht, der im Prinzip aus einem handelsüblichen Wasserrohr der Nenngröße 1 1/2 " (der Aussendurchmesser ist dann knapp 2") bestehen kann. Der Hersteller bietet folgende Turm-Bausätze an:
- 8,3 m Rohrmast mit einfacher Abspannung [50]
- 8,8 m Rohrmast mit doppelter Abspannung [55]
- 13,7 m Rohrmast mit doppelter Abspannung [51]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 7: Leistungskurve (links) und monatlicher Energieertrag (rechts) für die Air X. Die oberen Kurven gelten für ideale Bedingungen, die unteren für reale (turbulente Windverhältnisse) [52, S. 30].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 8: Varianten des Rohrmastes mit Abspannung für die Air X [53].
- Bausatz für Dachmontage [56]
- Bausatz für Bootsmontage [58]
Die ersten drei Varianten (Abb. 8) sind umlegbare Ausführungen, die keinerlei Fundament benötigen und nur durch die Abspannseile gehalten werden. Es ist lediglich die sorgfältige Montage von Bodenankern notwendig, sodass der ganze Mast zu zweit in etwa einer Stunde errichtet werden kann. Bei schweren Stürmen wird nur eines der vier Abspannseile5 gelöst und der Mast einfach umgelegt.
Die Windturbine alleine kostet etwa 890,00 €, der Mast je nach Ausführung zwischen 120,00 und 215,00€ (ohne MWSt.) [28].
Die Einsatzmöglichkeiten für solch einen Batterielader sind mannigfaltig und werden ausführlich in Abschnitt 2.5.1 beschrieben.
Vergleichbare Anlagen anderer Hersteller sind (Auswahl):
- Superwind 350
- Hersteller: Superwind GmbH Deutschland (http://www.superwind.com) (Deutschland)
- Eckdaten: D = 1,20m, A = 1,13m2, z = 3, P = 350W, U = 12/24VDC m = 11,5 kg, C ~ 1250€ (ohne MWSt.).
- Ungewöhnlich bei Anlagen dieser Leistungsklasse ist die passive (mechanische) Pitch-Regelung der Rotorblätter durch Luft- und Fliehkräfte über eine in der Rotornabe integrierte Mechanik (vgl. Abschnitt 3.5.1).
- Ampair 300
- Hersteller: Ampair - Boost Energy Systems Ltd. (http://www.ampair.com) (UK)
- Eckdaten: D = 1,20m, A = 1,13m2, z = 3, P = 300W, U = 12/24VDC, m = 12 kg, C w 1425€ (ohne MWSt., inkl. Laderegler).
- Ähnliche passive Pitch-Regelung wie bei der Superwind 350.
2.3.2 1,4 kW-Anlage zur Haushaltsunterstützung: Passaat
Hatten die in Abschnitt 2.3.1 vorgestellte Air X und die mit ihr vergleichbaren Anlagen primär die Aufgabe als Batterielader eine Stromversorgung auch in Gebieten fern des öffentlichen Niederspannungsnetzes sicherzustellen, soll hier nun eine Anlage vorgestellt werden, die den erzeugten Strom direkt in die Hausinstallation einspeist, um so die Menge des von einem Energieversorger bezogenen, kostenpflichtigen Stroms zu reduzieren (vgl. Abschnitt 2.5.5).
Eine für diese Zwecke häufig installierte Anlage (weltweit 2.100 Stück [6, S. 47]) ist das Modell Passaat (Abbildung 9) der niederländischen Firma Fortis Wind Energy (http://www. fortiswindenergy.com) mit 1,4kW Nennleistung. Fortis Wind Energy (vormals LMW) stellt die Passaat seit über 25 Jahren her und ist nach eigenen Angaben Weltmarktführer bei Kleinwindkraftanlagen im Segment von 1,4 bis 10 kW Nennleistung. Tabelle 2 zeigt die wichtigsten technischen Daten.
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Abbildung 9: Die Fortis Wind Energy Passaat [19], [6, S. 47].
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Tabelle 2: Technische Daten der Fortis Wind Energy Passaat [21].
Die Anlage besitzt einen Horizontalachsen-Rotor mit 3 Rotorblättern aus glasfaserverstärktem Epoxidharz. Die Energieumsetzung erfolgt in einem permanenterregten Synchrongenerator und ohne Getriebe. Die Windrichtungsnachführung erfolgt über eine Windfahne. Die Rotorachse ist gegenüber der senkrechten Gierachse seitlich versetzt (vgl. Abb. 9 rechts), was bei Windanströmung zu einem Drehmoment um die Gierachse führt. Zusammen mit dem Drehmoment der Windfahne ergibt sich eine passive Leistungsregelung, die bei Starkwind dafür sorgt, dass der Rotor aus dem Wind gedreht wird [20]. Abbildung 10 zeigt die sich so ergebende Leistungskurve.
Eine zentrale Bedeutung kommt bei dieser Anlage dem Einspeisewechselrichter zu, der erst die Einspeisung in ein bereits vorhandenes Niederspannungsnetz ermöglicht. Er unterscheidet sich wesentlich von gewöhnlichen, nicht-netzgebundenen Wechselrichtern, wie sie bei Batterieladern verwendet werden, um auch 230 V-Geräte betreiben zu können. Ein Einspeisewechselrichter ist netzgeführt, was bedeutet, dass die Steuerung des Umrichters durch
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Abbildung 10: Leistungskurve der Passaat (Die Zahlenwerte der Abszissenachse bezeichnen die Windgeschwindigkeit in m/s) [21].
die vorhandene Netzspannung erfolgt, um einen hinsichtlich Frequenz und Phasenlage zur Netzspannung passenden Betrieb zu ermöglichen. Gewöhnliche Wechselrichter hingegen sind fremdgeführt, bestimmen also selbst Frequenz und Phasenlage der erzeugten Spannung, weshalb sie auch niemals mit einem vorhandenen Netz verbunden werden dürfen. Eine genauere Beschreibung der technischen Eigenschaften von Netzeinspeisewechselrichtern erfolgt in Abschnitt 3.4, Details zum korrekten Anschluss für eine Netzeinspeisung werden in Abschnitt 2.5.5 gegeben.
Vergleichbare Anlagen anderer Hersteller sind (Auswahl):
- Skystream 3.7
- Hersteller: Southwest Windpower (http://www.skystreamenergy.com) (USA)
- Eckdaten: D = 3,72 m, A = 10,87 m2, z = 3, P = 2,4 kW, U = 120/240 VAC m = 77kg, C & 6 300€ (ohne MWSt.).
- Stall-geregelter Leeläufer (daher keine Windfahne notwendig)
- Interessant ist der vollständig im Gehäuse integrierte Einspeisewechselrichter, sodass die Anlage ohne Zusatzgeräte unmittelbar an die Hausinstallation angeschlossen werden kann - ein Musterbeispiel für anwenderfreundliche Plug&Play- Funktionalität.
- Inclin 1500 neo
- Hersteller: Juan y David Bornay, S.L. (http://www.bornay.com) (Spanien)
- Eckdaten: D = 2,86 m, A = 6,42 m2, z = 2, P = 1,5 kW, m = 42 kg, C = 3 335 €.
— 2 Rotorblätter, Windfahne
- Leistungsregelung durch Kippen der Rotorachse in Helikopterstellung.
- Home 1500
- Hersteller: SinusWind GmbH (http://www.sinuswind.de) (Deutschland)
- Eckdaten: D = 2,68 m, A = 5,64 m2, z = 3, P = 1,5 kW, m = 20 kg, Preis nur auf Anfrage.
— mechanische Pitch-Regelung
- Interessant auf Grund des eingebauten 1:3 Getriebes. Der Hersteller verspricht sich davon ein früheres Erreichen der Akku-Ladespannung (bei Betrieb als Batterielader) und einen leiseren Betrieb.
2.3.3 Anlage zur Haushaltskomplettversorgung: Antaris 5,0 kW
Es soll nun eine typische Anlage der 5 kW-Klasse vorgestellt werden, die auf Grund ihrer Leistungsfähigkeit bereits in der Lage ist, den Stromverbrauch eines durchschnittlichen Haushalts vollständig abzudecken - zumindest hinsichltlich ihrer Jahresenergieerzeugung. Eine solche Anlage ist beispielsweise die Antaris 5,0 kW (Abb. 11) der deutschen Firma Braun Windturbinen GmbH (http://www.braun-windturbinen.com).
Das Grundkonzept ist nicht außergewöhnlich: Ein Rotor mit 3 Rotorblättern aus Glas- faser-/Kohlefaserlaminat, permanenterregter Synchrongenerator, Windrichtungsnachfüh- rung über Windfahne. Die wichtigsten technischen Daten zeigt Tabelle 3, die Leistungskurve Abbildung 12. Interessant ist die Leistungsregelung und Sturmsicherung durch Aus- dem-Wind-Drehen, was aber nicht durch eine Gierbewegung (Drehung um die Mastachse),
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Abbildung 11: Die Braun Antaris 5,0 kW [4, 3].
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Tabelle 3: Technische Daten der Braun Antaris 5,0 kW [3].
sondern durch Schwenken in die sogenannte Helikopterstellung (Rotorachse wird senkrecht) geschieht. Zusätzlich werden noch Bremswiderstände mit Leistungen von 3 bis 10 kW verwendet, um die Anlage bei Überdrehzahl abzubremsen. Die Abführung des erzeugten Stromes in den feststehenden Mast erfolgt in der Grundausführung nicht, wie üblich, durch Schleifringe, sondern durch ein flexibles Kabel, eine Variante mit Schleifringen ist aber erhältlich. Die Rotorblätter besitzen Winglets (umgebogene Rotorblattspitzen) zur Geräuschminimierung.
Auf Grund der hohen Nennleistung der Anlage erfolgt die Netzeinspeisung dreiphasig. Der von der PSM erzeugte Drehstrom wird dafür zuerst in einen gemeinsamen Gleichspannungs- Zwischenkreis geleitet und dann von drei gewöhnlichen, einphasigen Wechselrichtern in jeweils eine Phase des Niederspannungsnetzes eingespeist. Ebenso ist ein Betrieb zur Heizungsunterstützung möglich (vgl. Abschnitt 2.5.3), wofür der Hersteller einen entsprechenden Steuerschrank und einen 6 kW-Heizstab anbietet.
Vergleichbare Anlagen anderer Hersteller sind (Auswahl):
- WESpe
- Hersteller: WES energy GmbH (http://www.wes-energy.de) (Deutschland)
- Eckdaten: D = 5,0 m, A = 19,6 m2, z = 4, P = 5 kW, m = 280 kg, C = 13 566 €.
- Die 4 Rotorblätter bestehen aus extrudiertem Aluminium.
- Leeläufer, aktive Stall-Regelung
- 2-stufiges Stirnradgetriebe, PSM, Wechselrichter zur Netzeinspeisung erforderlich.
- Grundidee bei der Entwicklung war das Ziel, möglichst Standardkomponenten zu verwenden.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 12: Leistungskurve für die Braun Antaris 5,0 kW [3].
- Easywind 6 AC
- Hersteller: EasyWind GmbH (http://www.easywind.org) (Deutschland)
- Eckdaten: D = 6m, A = 28,27m2, z = 4, P = 6kW, m = 383 kg, C = 21 000 €.
- 4 Rotorblätter mit mechanischer Blattverstellung (passive Pitch-Regelung)
- Modellvariante Easywind 6 DC mit einer Nennspannung von 120 VDC zur Batterieladung
- Hervorzuheben ist der polumschaltbare 400 V Asynchrongenerator zur direkten Netzeinspeisung. Damit ist ein Betrieb bei zwei verschiedenen, annähernd fixen Drehzahlen möglich, womit eine ganz gute Anpassung an die Drehzahl- Leistungs-Kennlinie des Rotors erfolgen kann (vgl. Abschnitt 3.2.4).
2.3.4 Eine moderne Vertikalachsenanlage: qr5
Bei Großwindkraftanlagen haben sich Bauformen mit horizontaler Achse vollständig durchgesetzt. Auch bei Kleinanlagen dominiert die Propellerbauform, es gibt aber doch eine ganze Menge an verfügbaren Modellen mit vertikaler Achse, allen voran solche mit H- Rotor. Einige Unternehmen haben ziemlichen Aufwand betrieben, um das Grundkonzept, das vor allem bei Bastleranlagen sehr beliebt ist, auf ein zeitgemäßes technisches Niveau
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 13: Die quietrevolution qr5 [45], [44, S.1].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Tabelle 4: Technische Daten der quietrevolution qr5 [42].
zu bringen. Eine moderne Variante des H-Rotors ist die qr5 (Abb. 13) der britischen Firma quietrevolution ltd. (Webauftritt: http://www.quietrevolution.co.uk). Aus der Menge der am Markt angebotenen H-Rotor-Anlagen wurde dieses Modell für eine nähere Beschreibung in erster Linie deswegen ausgewählt, weil der Hersteller umfangreiches Informationsmaterial auf seiner Website anbietet.
Tabelle 4 gibt einen Überblick über die wichtigsten technischen Daten. Die drei Rotorblätter und Speichen sind aus kohlefaser-verstärktem Epoxidharz, die Achse ist aus Aluminium. Im Prinzip handelt es sich um einen H-Rotor, die Blätter sind aber helixförmig gebogen und sollen damit für eine gleichmäßige Kraftverteilung und weniger Vibrationen sorgen - dies ist vor allem für eine Dachmontage wesentlich. Die Rotorblattspitzen sind in Richtung der Rotorachse gebogen, wodurch die Blattspitzengeschwindigkeit abnimmt, und der Lärmpegel verringert werden kann.
Die Anlage ist mit einer umfangreichen elektronischen Steuerung ausgerüstet, die im Zusammenspiel mit dem auf der Spitze der Anlage montierten Anemometer für eine optimale Anpassung der Drehzahl an die Windverhältnisse sorgt. Ein patentierter Peak- Power-Tracking-Alghorithmus stellt sich selbstständig auf die am Aufstellort herrschenden Windverhältnisse ein. Sobald die gemessene Windgeschwindigkeit die Einschaltschwelle übersteigt, wird der Rotor aktiv in den passenden Drehzahlbereich gebracht, es ist also eine Anlaufhilfe erforderlich, die aber vollautomatisch abläuft. Abbildung 14 zeigt die zugehörige Leistungskennlinie. Eine Windrichtungsnachführung erübrigt sich für eine Vertikalachsenanlage. Ein eingebautes GPRS-Modem ermöglicht eine Fernüberwachung der Anlage [42].
Die vom 3-phasigen, getriebelosen PSM-Generator gelieferte Energie wird von einem 3- Phasen-Einspeisewechselrichter in die Hausinstallation abgegeben. Eine Möglichkeit zum Betrieb der Anlage als Batterielader ist nicht vorgesehen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 14: Leistungskennlinie für die qr5. Grau strichliert: aerodynamische Leistung (also die mechanische Leistung vor der Umwandlung im Generator) bei Vermessung im Windkanal. Grün ausgezogen: Geplante, elektrische Ausgangsleistung im Gleichspannungsbereich, also nach dem Generator und dem Gleichrichter, aber vor dem Einspeisewechselrichter. Die Verluste im Wechselrichter bleiben somit unberücksichtigt. Blaue Punkteschar: Praktisch gemessene, 20-Sekunden- Mittelwerte der elektrischen Leistung. [43]
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 15: Montagevarianten für die qr5 [42].
Der Hersteller bietet freistehende Rohrmasten mit 9 und 15 m zur Freiflächenmontage und Türme mit 3,5 und 6m zur Dachmontage an (vgl. Abb. 15). Die Masten verfügen am Fuße über ein Scharnier und einen hydraulischen Kolben, womit ein bequemes Umlegen und Aufstellen ermöglicht wird.
Vergleichbare Anlagen anderer Hersteller sind (Auswahl):
- Turby
- Hersteller: Turby b.v. (http://www.turby.nl/) (Niederlande)
- Eckdaten: D = 2 m, h = 2,65 m, A = 5,3 m2, P = 2,5 kW, m = 136 kg.
- Preise: Turbine mit Wechselrichter 11.466,00 €, Mast mit Fundament/Ständer 3000-4000€, je nach Ausführung (ohne MwSt.).
- Ähnliches Gesamtkonzept wie die qr5. Die Anlage wurde für die Dachmontage optimiert und kann, wie Windkanaltests zeigten, besonders gut Turbulenzen und schräge Windanströmung ausnutzen.
- Cleanfield V3.5
- Hersteller: Cleanfield Energy Corp. (http://www.cleanfieldenergy.com) (USA)
- Eckdaten: D = 2,75 m, h = 3 m, A = 8,25 m2, P = 3 kW, m = 245 kg, C = 17 500 $ (etwa 12.000€).
- Ebenfalls H-Rotor mit 3 Rotorblättern, allerdings sind diese gerade und nicht helixförmig gebogen. Interessant ist auch der Netzeinspeisewechselrichter, der eine rotorflussorientierte, aber sensorlose Steuerung der PSM-Generators ermöglicht.
- Falcon 3.4kW
- Hersteller: WePOWER (http://www.wepower.us) (USA)
- Eckdaten: D = 3 m, h = 3,6 m, A = 10,8 m2, P = 3,4 kW, m = 633 kg, C = 15 390,00 $ (etwa 10.500 €)
- H-Rotor mit 5 Rotorblättern
- Die Falcon-VAWT-Serie umfasst Anlagen von 600 W bis 12 kW.
- Vata H5
- Hersteller: Neuhäuser Windtec GmbH (http://www.neuhaeuser-windtec.de) (Deutschland)
- Eckdaten: D = 5,2 m, h = 3,3 m, A = 17,16 m2, P = 5 kW (keine Herstellerangaben über Gewicht und Preis).
- H-Rotor mit 2 Rotorblättern
- Der Hersteller bietet Vertikalachsenanlagen mit Nennleistungen von 600 W bis 300 kW (!) an und plant die Entwicklung von H-Rotor-Anlagen in der Megawattklasse.
- Die Anlage ist zusammen mit einem Photovoltaikmodul und einem BiodieselGenerator auch als Hybridcontaineranlage erhältlich, die eine fertige Komplettlösung zur Energieversorgung fern des öffentlichen Netzes darstellt.
2.3.5 Eine gewerbliche Anlage mit 35 kW: PGE 20/35
Der Vollständigkeit halber soll nun noch eine Anlage mit einer Leistung deutlich über 10 kW vorgestellt werden. Anlagen dieser Größe fallen zwar noch unter die übliche Grenze von 100 kW für Kleinwindkraftanlagen, haben aber manchmal schon Rotorflächen über 200m2, weshalb sie nach IEC 61400-2 genau genommen keine Kleinanlagen mehr sind. Wohl deshalb ist auch das Marktangebot in diesem Segment sehr überschaubar, es gibt nur eine Hand voll Modelle. Die Anlagen sind für den Hausgebrauch zu groß und zu teuer, als dass man sie „mal eben schnell“ im Garten aufstellt. Interessant wären sie vielleicht für kleine Gemeinden, Gewerbebetriebe oder Betreibergenossenschaften, doch wer die Mühen und Kosten hinsichtlich Planung, Standortauswahl, Genehmigung, Versicherung, Netzanschluss usw. auf sich nimmt, greift vermutlich gleich zu einer „richtigen“ Anlage mit zumindest ein paar hundert Kilowatt. So bleiben als Zielgruppe eigentlich nur mehr Siedlungen ohne Anschluss an das öffentliche Netz, die mit kleineren Anlagen ihre autonome Stromversorgung nicht mehr sicherstellen können, wie z.B. Großfarmen in den USA oder Dörfer in Entwicklungsländern. In diesen Fällen könnte dann ein Inselnetz, so wie in Abschnitt 2.5.2 beschrieben, aufgebaut werden. In technischer Hinsicht gleichen die Anlagen mit wachsender Größe immer mehr den Großanlagen.
Eine dieser wenigen am Markt angebotenen Modelle ist die 35kW-Anlage PGE 20/35 (Abb. 16) des kanadischen Herstellers Energie PGE (http://www.energiepge.com). Ein Blick auf das Schnittbild der Maschinengondel (Abb. 16 rechts) zeigt, dass der mechanische Triebstrang großen Anlagen bereits sehr ähnelt. Der 3-Blatt-Rotor aus glasfaserverstärktem Epoxidharz ist zweifach gelagert. Die mechanische Energie des Rotors wird über ein 3-stufiges Planetengetriebe auf die direkt (ohne Umrichter) netzgekoppelte Asynchronmaschine übertragen. Die Rotordrehzahl ist damit festgelegt und beträgt 35 min-1, die Regelung erfolgt über passiven Stall. Auf der schnellen Achse (Generatorachse) sitzt eine Scheibenbremse, zusätzlich besteht die Möglichkeit einer mechanischen Pitch-Regelung bei Überdrehzahl. Ein wesentlicher Unterschied zu Großanlagen besteht in der Windrichtungs- nachführung, die hier durch eine Auslegung als Leeläufer erfolgt. Die Anlage verfügt weiters über ein Anemometer, Blitzschutzeinrichtung und Befeuerung auf der Maschinengondel, sowie über ein Flüssigkeits-Kühlsystem. Die wichtigsten technischen Daten gibt Tabelle 5 wider, Abbildung 17 zeigt die Leistungskurve und die Abhängigkeit des Jahresertrags von der vorherrschenden Windgeschwindigkeit.
Es gibt eine Modellvariante, die für Inselbetrieb ausgelegt ist, der Generator ist dann eine Synchronmaschine. Es stehen verschiedene Systemspannungen und die Möglichkeit des Betriebs mit 50 oder 60 Hz zur Verfügung, um einen Anschluss an 1- und 3-phasige Netze
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 16: Die PGE 20/35 [14].
[...]
1 entgegen diesbezüglichen Behauptungen des BWE in [6, S. 35]
2 Durch eigene Recherchen wurden zwei österreichische Hersteller ausfindig gemacht:
- Austrowind Kleinwindkraftwerke GmbH mit Sitz in 4631 Krenglbach, http://austrowind.com. Das Unternehmen bietet vier verschiedene Modelle mit Nennleistungen von 3 bis 18 kW an.
- Josef Schuster GmbH & Co KG in 4481 Asten, http://www.naturepower.at. Vertrieb von verschiedenen Photovoltaik- und Windkraftanlagen, unter anderem fünf verschiedene selbst entwickelte Kleinwindkraftanlagen im Bereich von 800 W bis 5,5 kW.
3 bezogen auf die installierte Leistung
4 Webauftritt: http://www.windpower.de
5 bzw. zwei der 8 Abspannseile bei doppelt abgespannten Masten
-
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