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
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit verfolgt das Ziel, einen umfassenden Überblick über die zentralen Aspekte des Betriebs von Kleinwindkraftanlagen zu bieten, da hierzu bisher kaum wissenschaftliche Literatur existiert. Es wird untersucht, wie sich diese Anlagen technisch und wirtschaftlich von Großanlagen unterscheiden und welche Rahmenbedingungen für eine erfolgreiche Nutzung entscheidend sind.
- Marktanalyse und Typisierung von Kleinwindkraftanlagen
- Technische Konzepte von Komponenten wie Generatoren und Umrichtern
- Methoden zur optimalen Lastanpassung (Maximum Power Point Tracking)
- Wirtschaftlichkeitsanalyse inklusive Standortwahl und Ertragsprognose
Auszug aus dem Buch
2.4 Sonderbauformen
Neben den beiden wichtigsten Bauformen von Kleinwindkraftanlagen – dem Propellertyp mit 2 bis 4 Rotorblättern und dem vertikalachsigen H-Rotor –, die im vorangegangenen Abschnitt ausführlich besprochen wurden, gibt es am Markt auch eine Menge an Sonderbauformen. Teilweise handelt es sich dabei um Verbesserungen oder Abwandlungen der bewährten Bauformen, teilweise um vollständige Neuentwicklungen oder kuriose Erfindungen. Gab es schon bei den bewährten Typen das Problem, dass die Hersteller häufig zu große Versprechungen machen, so trifft das erst recht bei den Sonderbauformen zu. Kaum eine Hersteller-Website verzichtet auf vollmundige Werbeversprechungen, in denen von „revolutionären Funktionsprinzipien“, „8-facher Leistung gegenüber konventionellen Anlagen“ usw. die Rede ist. Offensichtlich kennen viele Entwickler die einfachsten physikalischen Prinzipien, wie z.B. das Betzsche-Gesetz nicht oder ignorieren sie absichtlich, unter Ausnutzung des mangelnden Wissens der potentiellen Käufer, die ja in der Regel Laien sind.
In Wahrheit können im besten Fall nur knapp 60 % der dargebotenen Energie dem Wind entnommen werden, und sei die Anlage noch so raffiniert – das Betzsche Gesetz trifft keine Voraussetzungen über den verwendeten Rotor und ist daher allgemein gültig. Moderne Windkraftanlagen, zumindest im Multimegawatt-Bereich, kommen bereits sehr nahe an diese 60 %-Grenze heran. Sie sind alle Propeller-Typen mit 3 Rotorblättern. Warum sollte daher eine neue Bauform so revolutionär sein?
Bei näherer Betrachtung ist das Ganze allerdings differenzierter zu sehen: Tatsächlich interessiert im Allgemeinen nicht der Betzsche Leistungsbeiwert oder der Gesamtwirkungsgrad der Anlage, sondern in erster Linie die Wirtschaftlichkeit, also die möglichst kostengünstige Stromerzeugung. Hat eine Anlage einen vielleicht etwas geringeren Wirkungsgrad, dafür aber beispielsweise geringere Investitionskosten oder eine längere Lebensdauer, so ist ihr in der Regel der Vorzug zu geben.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Thematik der Kleinwindkraftanlagen ein, grenzt diese begrifflich von Großanlagen ab und begründet die Notwendigkeit der vorliegenden Arbeit aufgrund mangelnder wissenschaftlicher Literatur.
2 Markt und Anwendung von Kleinwindkraftanlagen: In diesem Kapitel wird der aktuelle Markt analysiert, verschiedene Anlagentypen, Sonderbauformen und spezifische Einsatzbeispiele wie Batterieladung oder Netzeinspeisung detailliert vorgestellt.
3 Technik von Groß- und Kleinanlagen im Vergleich: Dieser Abschnitt bietet einen fundierten technischen Vergleich der Komponenten (Rotor, Generator) und Regelungsverfahren, mit besonderem Fokus auf Lastanpassung und die spezifischen Anforderungen an Netzeinspeisewechselrichter.
4 Wirtschaftlichkeit: Hier erfolgt eine ökonomische Untersuchung, die sich mit der Standortwahl, der Prognose von Erträgen und der Berechnung von Stromgestehungskosten auseinandersetzt, um die Wirtschaftlichkeit der Kleinwindkraft gegenüber konventionellen Alternativen zu bewerten.
5 Zusammenfassung und Ausblick: Das Fazit fasst die Ergebnisse zusammen, betont den Innovationsbedarf bei kleinen Anlagen und unterstreicht, dass die ökonomische Rentabilität derzeit oft noch von Förderungen abhängt.
Schlüsselwörter
Kleinwindkraftanlagen, Windenergie, Marktanalyse, Rotortyp, Generator, Lastanpassung, Maximum Power Point Tracking, MPPT, Netzeinspeisung, Wirtschaftlichkeit, Stromgestehungskosten, Standortwahl, Ertragsprognose, Inselbetrieb, Windrichtungsnachführung
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit behandelt den Betrieb von Kleinwindkraftanlagen und beleuchtet deren aktuelle Marktsituation, technische Spezifikationen und wirtschaftliche Rahmenbedingungen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die Arbeit gliedert sich in drei Hauptfelder: Die Analyse des Anbietermarktes, die detaillierte Beschreibung technischer Komponenten sowie die ökonomische Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Kleinwindkraftanlagen.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das Ziel ist es, eine Wissensgrundlage zu schaffen, da für Kleinwindkraftanlagen im Gegensatz zu Großanlagen bisher nur sehr wenig wissenschaftliche Literatur existiert.
Welche wissenschaftliche Methode wurde verwendet?
Die Arbeit basiert im Wesentlichen auf einer umfangreichen Literaturrecherche und einer Analyse des aktuellen Stands der Technik sowie der Marktsituation im Jahr 2009.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil befasst sich detailliert mit den technischen Unterschieden zwischen Groß- und Kleinanlagen, Regelungsverfahren für die Lastanpassung und den Herausforderungen bei der Netzeinspeisung.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit ist durch Begriffe wie Kleinwindkraftanlagen, Wirtschaftlichkeit, Lastanpassung, MPPT und Netzeinspeisung charakterisiert.
Warum ist die Dachmontage von Kleinwindanlagen oft problematisch?
Die Dachmontage führt häufig zu Geräuschbelästigungen durch mechanische Vibrationen, die sich als Körperschall im Gebäude ausbreiten, sowie zu turbulenten Windverhältnissen, die den Energieertrag negativ beeinflussen.
Warum sind Standard-Solarwechselrichter für Windanlagen ungeeignet?
Solarwechselrichter sind auf die langsamen Zeitkonstanten der Sonneneinstrahlung ausgelegt, während die schnelle Dynamik bei Windböen eine deutlich leistungsfähigere und spezifisch auf Windkraft abgestimmte Regelung erfordert.
- Citation du texte
- Winfried Halbhuber (Auteur), 2009, Betrieb von Kleinwindkraftanlagen. Ein Überblick über Markt, Technik und Wirtschaftlichkeit, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/146966
