Technologie der Kleinwindenergieanlagen "Kleinwindanlagen: energie für Jedermann in der Stadt und auf dem Land" Möwenpick Hotel Kassel 17. Oktober 2009 Geringfügig gegenüber Vortag am 17.10.2009 korrigiert Themengebiete Vorstellung INENSUS Kurzer Einstieg in die physikalischen Grundlagen der energienutzung Vorstellung der einzelnen Systemkomponenten und Vergleich der Varianten Rotor Generator Steuerungs- und Sicherheitssysteme Systeme zur Batterieladung Netzeinspeisung Pumpen und Heizung Sicherheitsanforderungen und Produktkennzeichnung 2 1

INENSUS GmbH INENSUS GmbH (9 Mitarbeiter) INtegrated ENergy SUpply Systems Standort am: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen efzn 3 Funktionsprinzip des Rotors (1) Stillstand Rotor 1 2 4 m/s 4 m/s 4 m/s 4 m/s 4 2

Funktionsprinzip des Rotors (2) Betrieb mit Leistungsabgabe Rotor 2 1 4 m/s 1/3 * 4 m/s 4 m/s 1/3 * 4 m/s 5 Funktionsprinzip des Rotors (3) Energie der bewegten Luft kinetische Energie P wind = = Zeit 1 2 m t v 2 P wind 1 = ρ 2 ( A v) v 2 P wind 1 = ρ A v 2 3 Leistung ist abhängig von: 1. Luftdichte 2. Rotorfläche 3. geschwindigkeit (hoch 3) 6 3

Funktionsprinzip des Rotors (4) Grenzen der Energiewandlung v 1 Rotor v 2 Albert Betz: energie und ihre Ausnutzung durch mühlen (1926) Maximale Ausnutzung des Rotors bei Auftriebsläufern, wenn v Erntegrad = 1 v 2 3 1 = 16 27 c P, Betz 59% 7 Technische Nutzung Verluste im System P WEA 59% = Pwind c p, Betz physikalisch nutzbar η η 70 90% Rotor η 80 90% Generator 90 95% Getriebe η 90 99% Elektronik aerodynamische und mechanische Verluste elektrische Verluste 8 4

Rotorarten (1) Widerstandsläufer Funktionsprinzip: Rotorblatt weicht dem aus Schub = c S ρ 2 2 Av - Niedrige Drehzahl - Schlechter Wirkungsgrad + einfache Rotorblätter + Viel Drehmoment im Stillstand 9 Rotorarten (2) Auftriebsläufer Auftrieb - wenig Drehmoment im Stillstand - aufwendige und teure Rotorblätter + hohe Rotordrehzahl + guter Wirkungsgrad Rotorblatt Widerstand 10 5

Rotortypen (1) Savonius Rotor auch mit mehr Rotorblättern Rotorblätter teilweise versetzt + gutes Anlaufverhalten + leise (sehr niedrige Drehzahl) + viel Drehmoment aus dem Stillstand - teurer Getriebegenerator - niedriger Wirkungsgrad 11 Rotortypen (2) Darrieus Rotor Auftrieb Auftrieb + leise (niedrige Drehzahl) + keine Richtungsnachführung - teurer Generator - teure Rotorkonstruktion - selbständiger Anlauf nur mit mehr als 2 Rotorblättern alternativ zusätzliche Anlaufhilfe: Savonius / elektrisch - hohe Rotorträgheit - ungünstige Nutzung der Rotorfläche 12 6

Rotortypen (3) Horizontalachs- 3blattrotor + geringes Gewicht + einfache Generatoranbindung + gute Nutzung der Rotorfläche + schnell laufender Generator - etwas lauter - richtungsnachführung notwendig - wenig Drehmoment im Stillstand 13 Rotorkennfeld (1) Schnelllaufzahl Umfangsgeschwindigkeit λ = geschwindigkeit Widerstandsläufer λ < 1 Auftriebsläufer λ > 1 14 7

Rotorkennfeld (2) Vergleich der Rotortypen Leistungskoeffizient cp 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Eigene Darstellung nach: Gasch/Twele: kraftanlagen Schnelllaufzahl 15 Rotorkennfeld (3a) Synthese zum Kennfeld Rotorleistung [W] v=8 m/s v=6 m/s v=4 m/s v=10 m/s v=12 m/s v=14 m/s Rotordrehzahl [1/min] 16 8

Rotorkennfeld (3b) Synthese zum Kennfeld Rotorleistung [W] Leistungskurve 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 geschwindigkeit [m/s] 17 Rotorkennfeld (4) Leistungskurve Nennleistung Leistung 3 ~ v P Leistungsbegrenzung Technische Verluste P energieanlage Häufigste geschwindigkeiten 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 geschwindigkeit [m/s] 18 9

Generatorarten Permanenterregt synchron 3phasen Drehstrom Kontinuierliche Leistungsabgabe Sehr effiziente Energieübertragung auf 3 Leitern (lange Entfernungen möglich, es ist kein Rückleiter wie beim Einphasenwechselstrom erforderlich) Robuster und preiswerter Aufbau des Generators Permanenterregung Generatorisches Bremsen bei Ausfall externer Energiequellen möglich Keine Schleifringe für Erregerstrom notwendig -> keine Verschleißteile Rastmoment bei Anlauf kann problematisch sein Leerlaufspannung und Frequenz sind proportional zur Drehzahl Bei unterschiedlichen geschwindigkeiten auch unterschiedliche Spannungen Unterschiedliche Frequenz nicht problematisch, da stets gleichgerichtet wird Anpassung der Last entsprechend Spannung oder Drehzahl notwendig, damit der Rotor optimal belastet wird 19 Steuerungs- und Sicherheitssysteme Drehzahlüberwachung Generatorüberwachung Manuelle Abschaltung Notabschaltung Rüttelfehler bei Unwucht und Eisansatz 20 10

Systeme zur Batterieladung (1) Aufbau 3 ~ Gleichrichter Laderegler Wechsel -richter Laderegler Hauptschalter DC- Verbraucher Batterie 21 Systeme zur Batterieladung (2) Funktionsprinzip G 3~ Generator Gleichrichter Batterie 22 11

Systeme zur Batterieladung (3) Zusammenfassung Generator liefert Drehstrom (3phasiger Wechselstrom) Variable Frequenz und variable Spannung Bei niedrigen Drehzahlen läuft der Rotor im Leerlauf Sobald gleichgerichte Spannung größer ist als die Batteriespannung, fließt ein geringer Ladestrom über den Gleichrichter Die Batterie begrenzt den Anstieg der Spannung Je nach kann der Rotor beschleunigen, es fließt mehr Strom Generator funktioniert wie Fahrraddynamo und regelt die Spannung unabhängig von der Drehzahl gute Belastung des Rotors durch den Generator passend zur aktuellen geschwindigkeit Batterie wird geladen Überladung schadet der Batterie, daher ist ein Laderegler notwendig, der eigentlich ein Überladeschutz ist 23 Systeme zur Batterieladung (4) Einsatzgebiete Ländliche Elektrifizierung Wochenendhäuser Wohnwagen Sportboote Wetterstationen Verkehrsüberwachung Forschungsstationen Pumpstationen Mobilfunkstationen 24 12

Systeme zur Netzeinspeisung (1) Übersicht Quelle: www.sieb-meyer.de 25 Systeme zur Netzeinspeisung (2) elektrische Energiewandlung Quelle: www.sieb-meyer.de 26 13

Systeme zur Netzeinspeisung (3) Zusammenfassung Generator liefert Drehstrom Variable Frequenz und variable Spannung Drehstrom wird gleichgerichtet Ab einer Mindestdrehzahl (Mindestspannung) versorgt der Generator den Einspeiseumrichter Einspeisung ins Netz a. die zu niedrige Spannung wird elektronisch hochgesetzt und wechselgerichtet ins Netz eingespeist b. die Gleichspannung wird wechselgerichtet und über einen Trafo an die Netzspannung angepasst und eingespeist Für Netzeinspeisung ist nach VDE 0126 eine Netzüberwachung mit Freischaltschnittstelle vorgeschrieben Während der Netzüberwachung und bei Netzausfall muss der Generator belastet werden, damit der Rotor nicht hochdreht, dabei sich selbst und den Wechselrichter zerstört. 27 Systeme zur Netzeinspeisung (4) Einsatzgebiete Selbstversorgung Einspeisung ins Hausnetz Nutzung des Stromes mit den vorhandenen Geräten Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch ist gering Zuschalten in der Leistung regelbarer Verbraucher (meist Heizung) Überschuss fließt ungezählt zurück ins Netz (normaler Stromzähler) Einspeisung nach EEG Einspeisung über einen separaten Stromzähler ins Netz Vergütung des gesamten erzeugten Stromes nach dem EEG Zusätzliche Installationskosten für Stromzähler und jährliche Messkosten Betrieb eines autarken Systems Inselsystem mit Batterie, Wechselrichter, etc. nur wirtschaftlich, wenn kein Netzanschluss verfügbar 28 14

Systeme zum Wasserpumpen Aufbau Über Widerstandsläufer direkt angetriebene Kolbenpumpen sind weltweit verbreitet, haben aber einen relativ schlechten Wirkungsgrad Verbesserungen sind möglich in Verbindung mit einer geregelten und hocheffizienten Pumpe mit und ohne Batterie als Zwischenspeicher Umgehung des Speicherproblems elektrischer Energie durch Speicherung des geförderten Wassers 29 Systeme zum Heizen Übersicht Elektrische Heizung Lufterwärmung Wassererwärmung mit einer elektrischen Heizpatrone Problem: Wärme kann nicht unbegrenzt vom Heizsystem aufgenommen werden, Sicherheitsabschaltung der Heizpatrone erforderlich -> andere Belastungseinheit für den Rotor oder Leistungsreduzierung/Abschaltung muss vorhanden sein Direkter Anschluss eines elektrischen Widerstandes an den Generator ist nicht möglich, der Rotor läuft dann nicht mehr an Elektronischer Leistungsregler für Heizpatrone notwendig Direkte Wärmeerzeugung mit einer Wasserwirbelbremse ohne elektrischen Generator Heizkreislauf mit Hin- und Rückleitung muss bis zur WEA geführt werden Frostschutz für Wasserkreislauf 30 15

Sicherheitsanforderungen (1) Normen IEC DIN EN 61400-2: Sicherheit kleiner energieanlagen Überdrehzahl Redundantes System, d.h. auch bei Ausfall einer Komponente (z.b. Generator) darf die maximale Rotordrehzahl nicht überschritten werden Zusätzliche Bremseinrichtung notwendig klasse (muss passend zu Standort gewählt werden) Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit Überlebenswindgeschwindigkeit Hauptschalter Freischalten der elektrischen Betriebsmittel Abschalten des Rotors zur Wartung, vor Sturm Betriebsanweisung Abschaltung bei Sturm Betrieb und Wartung Standsicherheit, Blitzschutz, Eisansatz 31 Sicherheitsanforderungen (2) klassen nach EN 61400-2 klasse Jahresmittel [m/s] v_ref [m/s] Rayleigh I 10 50 II 8,5 42,5 III 7,5 37,5 IV 6 30 Häufigkeit 14% 12% 10% 8% 6% 4% 2% 0% v=10 v=8,5 v=7,5 v=6 0 5 10 15 20 25 geschwindigkeit [m/s] 32 16

Vergleich der Systeme AC- und DC-Kopplung Wechselspannungsseitige Kopplung Gleichspannungsseitige Kopplung 33 Produktkennzeichnung CE-Zeichen Hersteller erklärt Konformität mit den Europäischen Normen (Maschinenrichtlinie) Hersteller muss Gefahrenanalyse durchführen DIN EN 61400-2 Leistungskennlinie Gemessen nach DIN EN 61400-12 Schall Gemessen nach DIN EN 61400-11 Dokumentation 34 17

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