Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit


Diplomarbeit, 2009
132 Seiten, Note: 1

Leseprobe

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].

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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.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Die Fortis Wind Energy Passaat [19], [6, S. 47].

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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),

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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].

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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

Ende der Leseprobe aus 132 Seiten

Details

Titel
Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit
Hochschule
Technische Universität Wien  (Institut für Elektrische Anlagen und Energiewirtschaft)
Note
1
Autor
Jahr
2009
Seiten
132
Katalognummer
V146966
ISBN (eBook)
9783640577668
ISBN (Buch)
9783640587964
Dateigröße
4906 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Schlagworte
Kleinwindkraftanlage, Maximum Power Point Tracking, Batterielader, Netzeinspeisung, Wechselrichter, Lastanpassung, aerodynamische Leistungsregelung, Stromgestehungskosten, Kleinwindkraft, erneuerbare Energie, Windkraft
Arbeit zitieren
Winfried Halbhuber (Autor), 2009, Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/146966

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