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.
Auf einen Blick
- Note: 1,0
- Eigene statistische Auswertung von 353 Anlagenmodellen nach Bauform und Größe
- Durchgerechnete Jahresertragsprognose für die Fortis Wind Energy Passaat
- 74 Quellen im Literaturverzeichnis
- 51 Abbildungen und 7 Tabellen
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
Zielsetzung und Themen
Die Diplomarbeit bietet einen Überblick über den Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Sie untersucht, welche Anlagen und Anwendungen verfügbar sind, wie sich ihre technischen Konzepte von Großanlagen unterscheiden und unter welchen Voraussetzungen sich ihr Betrieb wirtschaftlich bewerten lässt.
- Marktrecherche und Einteilung verfügbarer Anlagenmodelle
- Beispielanlagen, Sonderbauformen und Einsatzmöglichkeiten
- Rotoren, Generatoren und Verfahren zur Lastanpassung
- Netzeinspeisung und aerodynamische Leistungsregelung
- Standortwahl, Ertragsprognose und Stromgestehungskosten
Auszug aus dem Buch
Systeme zum Wasserpumpen
Eines der ältesten Einsatzgebiete der Windkraft ist die Be- und Entwässerung mit Hilfe von Pumpen. Windkraftsysteme zum Pumpen von Wasser spielen auch heute noch eine große Rolle, sei es in der Landwirtschaft, in der Wasserversorgung von Kommunen oder bei der Trockenlegung von Land.
Die traditionelle Anwendung der Windkraft zum Wasserpumpen erfolgt wieder unter Umgehung einer elektrischen Zwischenstufe, und zwar mit mechanisch direkt angetriebenen Kolbenpumpen. Am Rotor ist dazu ein Exzenter angebracht, der die Drehbewegung in eine Auf- und Abbewegung umwandelt, die die Kolbenpumpe über ein Gestänge antreibt. Um ein ausreichendes Drehmoment für den Pumpenbetrieb zu erreichen, sind die Rotoren des Windrades als Langsamläufer mit einer großen Anzahl an Rotorblättern ausgelegt. Systeme dieser Art sind seit über hundert Jahren bewährt, in Robustheit und Zuverlässigkeit kaum zu schlagen und stehen nach wie vor zu tausenden im Einsatz. Trotzdem haben sie zwei entscheidende Nachteile: Zum einen muss das Windrad am Ort der Pumpe aufgestellt werden. Dies ist auf Grund örtlicher Gegebenheiten nicht immer möglich und verhindert außerdem die Aufstellung an einem für die Windernte optimalen Ort, z.B. auf einem nahe gelegenen Hügel. Zweitens besitzen die normalerweise eingesetzten Kolbenpumpen eine lineare Drehzahl-Leistungs-Kennlinie, im Gegensatz zur kubisch verlaufenden Kennlinie des Windrades. Damit liegt der sich einstellende Arbeitspunkt nur bei einer Windgeschwindigkeit im Optimum. In der Praxis wird die Anlage dann so ausgelegt, dass eine gute Anpassung bei den häufig vorkommenden niedrigen Windgeschwindigkeiten vorliegt, um eine kontinuierliche Wasserversorgung zu gewährleisten; bei höheren Windgeschwindigkeiten wird dann aber viel Leistung verschenkt.
Eine moderne Lösung liegt im Einsatz von elektrisch angetriebenen Pumpen. Grundsätzlich wäre ein Batterieladersystem wie in Abschnitt 2.5.1 beschrieben denkbar, an welches dann einfach eine Pumpe mit Gleichstrommotor angeschlossen wird. Es gibt aber ein viel einfacheres Konzept: In der Windkraftanlage befindet sich ein Synchrongenerator. Der von diesem erzeugte Drehstrom wird direkt an einen Drehstrommotor, vorzugsweise eine Asynchronmaschine, weitergeleitet, der eine schnelllaufende Kreiselpumpe antreibt. Damit ist einerseits eine örtliche Trennung von Windkraftanlage und Pumpe möglich (es ist nur eine Kabelverbindung notwendig), andererseits die Verwendung einer Kreiselpumpe mit kubischer Kennlinie, die eine bessere Anpassung an die Leistungscharakteristik der Windkraftanlage bietet. Jeglicher Einsatz von leistungselektronischen Schaltungen entfällt, es ist lediglich ein einfaches Steuergerät notwendig, dass die Asynchronmaschine bei zu hoher oder zu niedriger Frequenz vom Generator trennt. Um eine Wasserversorgung auch in windschwachen Zeiten sicherzustellen, kann ein hoch aufgestellter Wasserbehälter verwendet werden, der eine Wasserentnahme alleine durch die Schwerkraft ermöglicht [25, S. 641ff ], [2].
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung erläutert den Untersuchungsgegenstand und grenzt Kleinwindkraftanlagen anhand gebräuchlicher Definitionen ein. Sie begründet, weshalb Erfahrungen mit Großanlagen nicht ohne Weiteres übertragbar sind.
2 Markt und Anwendung von Kleinwindkraftanlagen: Das Kapitel ordnet Anlagen nach technischen Merkmalen und wertet eine Marktübersicht statistisch aus. Es stellt konkrete Modelle, Sonderbauformen und unterschiedliche Versorgungskonzepte vor.
3 Technik von Groß- und Kleinanlagen im Vergleich: Im Mittelpunkt stehen Rotoren, Generatoren und die Abstimmung von Last und Windturbine. Darüber hinaus werden Wechselrichter, Leistungsregelung und Windrichtungsnachführung erläutert.
4 Wirtschaftlichkeit: Dieses Kapitel behandelt Standortwahl und Jahresertragsprognose sowie die Berechnung der Stromgestehungskosten. Eine Sensitivitätsanalyse und ein Vergleich mit Einspeisetarifen ergänzen die Betrachtung.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Das Schlusskapitel bündelt die Betrachtungen zu Markt, Anwendungen, Technik und Wirtschaftlichkeit und skizziert weiteren Entwicklungsbedarf.
Schlüsselwörter
Kleinwindkraftanlagen, Windenergie, Marktrecherche, Rotorbauformen, Generatoren, Lastanpassung, Leistungspunktnachführung, Netzeinspeisung, Inselbetrieb, Standortwahl, Ertragsprognose, Stromgestehungskosten, Sensitivitätsanalyse
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit?
Die Arbeit untersucht den Betrieb von Kleinwindkraftanlagen aus der Perspektive von Marktangebot, Technik und Wirtschaftlichkeit.
Welche Themenfelder stehen im Mittelpunkt?
Behandelt werden Anlagenmodelle und Anwendungen, technische Komponenten und Regelungsverfahren sowie Standortwahl, Energieertrag und Kosten.
Welches Ziel verfolgt die Untersuchung?
Sie soll einen Überblick über wesentliche Aspekte des Betriebs geben und Unterschiede zwischen kleinen und großen Windkraftanlagen herausarbeiten.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit beruht im Wesentlichen auf einer Literatur- und Marktrecherche. Ergänzend werden Anlagenmodelle statistisch ausgewertet und technische sowie wirtschaftliche Berechnungen durchgeführt.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil stellt beispielhafte Anlagen und ihre Anwendungen vor, vergleicht technische Konzepte und erläutert die Prognose des Ertrags sowie die Wirtschaftlichkeitsrechnung.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit?
Zu den zentralen Begriffen gehören Kleinwindkraftanlagen, Lastanpassung, Netzeinspeisung, Standortwahl, Ertragsprognose und Stromgestehungskosten.
Welche konkreten Anlagenmodelle werden vorgestellt?
Die Arbeit beschreibt unter anderem Air X, Passaat, Antaris 5,0 kW, qr5 und PGE 20/35 anhand ihrer jeweiligen Einsatzbereiche und technischen Eigenschaften.
Wie wird der Jahresertrag beispielhaft berechnet?
Für die Anlage Passaat kombiniert die Arbeit deren Leistungskurve mit einer angenommenen Rayleigh-Verteilung der Windgeschwindigkeiten und berechnet den Jahresertrag für verschiedene Windverhältnisse.
Welche Möglichkeiten zur Versorgung abseits des öffentlichen Netzes werden beschrieben?
Vorgestellt werden Batterielader und deren Kombination mit Photovoltaik sowie Wind/Diesel-Inselnetze. Auch windbetriebene Systeme zum Wasserpumpen werden behandelt.
- Quote paper
- Winfried Halbhuber (Author), 2009, Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/146966
