Power für Alle

Stromerzeugung

Kleine Windkraftanlagen für Privatanwender bieten einen hohen Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten. Verantwortlich dafür ist auch ein permanenterregter Synchrongenerator, der individuell an die Anwendung adaptiert wurde.

20. Mai 2015

Ein wichtiger Aspekt der Energiewende in Deutschland ist die dezentrale Stromerzeugung aus regenerativen Quellen durch Privathaushalte, Gemeinden, Unternehmen oder landwirtschaftlichen Betrieben unabhängig von industriellen Kraftwerksbetreibern. Vor allem die Photovoltaik hat sich in diesem Bereich inzwischen gut etabliert. Entsprechende Lösungen zur Nutzung der Windkraft in Kleinwindkraftanlagen mit einer Leistung unter 100 Kilowatt, die für die Stromerzeugung auf eigenem Grund eingesetzt werden können, sind dagegen noch nicht weit verbreitet.

Ursache hierfür ist unter anderem, dass die Regelungen und Gesetzgebungen im Vergleich zu anderen regenerativen Energiequellen noch nicht voll entwickelt sind: Beispielsweise liegt die Einspeisevergütung deutlich unter der für Solarstrom, zudem existiert noch kein einheitlicher Zertifizierungs- bzw. Qualitätsstandard für die Anlagen. Für den Endkunden ist der Markt für Kleinwindenergie deshalb derzeit noch sehr unübersichtlich.

Großes Potenzial

»In Deutschland gibt es also noch viel Potenzial für Kleinwindkraftanlagen«, weiß auch Ludolf Ibs, Geschäftsführer der WES energy GmbH mit Sitz im schleswig-holsteinischen Sankt Michaelisdonn. Um dieses Potenzial nutzen zu können, hat der Anbieter für Konzepte und Systeme im Bereich erneuerbare Energien die Kleinwindenergieanlage WESpe 5.0 zur Serienreife entwickelt, die erfolgreich gemäß den Regeln der DIN 61400-2 typgeprüft wurde. Die WESpe ist damit eine der wenigen Anlagen, die über eine TÜV-Abnahme verfügt, wodurch das Baugenehmigungsverfahren für den Endkunden sehr vereinfacht werden kann.

Entscheidend für eine hohe Energieausbeute ist es, die Anlage bei möglichst vielen Windgeschwindigkeiten nutzen zu können. Die Leeläufer-Windkraftanlage besitzt dazu neben einer aerodynamischen Verkleidung ein optimiertes Rotorkonzept mit vier Flügeln und einer passiven Blattwinkelverstellung, die die Rotorblätter abhängig von der Rotordrehzahl fliehkraftgetrieben ab ca. 150 min-1 regelt.

Einen hohen Wirkungsgrad bei drehzahlvariablem Betrieb gewährleistet jedoch vor allem ein direkt an das Getriebe angeflanschter permanentmagneterregter Synchrongenerator des Antriebstechnik- und Sensorikspezialisten Johannes Hübner aus Giessen. Der hessische Motoren- und Generatorenhersteller ist ein Spezialist für Sonderkonstruktionen und Prototypenfertigungen nach Kundenwunsch für Heavy-Duty-Anwendungen in vielen Industriebereichen. Für den Betrieb in der WESpe haben die Hessen den Generator speziell an das Getriebe angepasst, um den Wirkungsgrad zu maximieren und zugleich Gewicht in der Gondel einzusparen.

Anpassung nach Maß

Eine spürbare Gewichtsreduzierung bewirkte zum Beispiel der Verzicht auf die etwa vier bis fünf Kilogramm schwere sogenannte IEC-Glocke am Getriebe, die üblicherweise das Standardwellenende des Generators aufnimmt. Stattdessen wurde der Generator so mit einer Sonderwelle und einem Sonderlagerschild ausgerüstet, dass er direkt in das Getriebe passte. Die speziell verstärkten Wellen, Lagerungen und Lagerschilde stellen zudem sicher, dass die hohen Querkräfte in der Windkraftanlage abgefangen werden, die bei böigem Wind auftreten.

Zugleich wurde die Generatorspannung auf den eingesetzten Wechselrichter sowie die Drehzahlen und Leistung der Turbine abgestimmt. Auf diese Weise bleibt der Generator auch bei Überdrehzahl intakt und speist umgekehrt auch bei niedriger Drehzahl noch Energie in den Wechselrichter ein. Eine weitere Anpassung des Generators an die Anwendung in der Kleinwindkraftanlage betrifft das Anlaufverhalten. So konstruierten die Spezialisten bei Hübner den Generator-Läufer so, dass die Anlage möglichst leicht und annähernd rastmomentfrei anläuft. Dies verbessert nicht nur die Energieausbeute, sondern vermindert auch störende Anlagenschwingungen, die einerseits zu Geräuschentwicklung führen und andererseits Schäden am Generator verursachen.

Eingebaute Sicherheit

Mit entscheidend für das TÜV-Zertifikat war auch das Sicherheitskonzept der Kleinwindkraftanlage. So ist die WESpe mit zwei voneinander unabhängigen Bremssystemen ausgerüstet: Neben einem Passiv-Pitch-System, das bewirkt, dass sich die Rotorblätter bei Überdrehzahl aus dem Wind drehen, besitzt die Anlage eine Kurzschlussbremse, die den Rotor durch ein Kurzschließen der drei Phasen am Generator abbremst und zum Stillstand bringt, erklärt Prof. Ewald Ohl, Leiter der Abteilung Energiesysteme bei Hübner: »Wenn die Elektronik in der Gondel ausfällt, muss es die Möglichkeit geben, den Generator manuell abzubremsen, indem man die Klemmen des Generators kurzschließt.«

Die Ausführung des Generatorgehäuses in Schutzart IP55 aus Grauguss anstelle des üblicherweise verwendeten Aluminiums gewährleistet dabei, dass die überschüssige Energie beim Kurzschließen des Generators sicher aufgenommen wird. Zudem ist das Graugussgehäuse mechanisch robuster. Eine seewasserbeständige Lackierung verhindert Korrosionsschäden durch salzhaltige Luft.

Nach der Serienreife der WESpe übernahm Johannes Hübner Giessen die Kleinwindkraftanlage außerdem als eine der Komponenten für das hybride Energie-Konzept EnergyContainer, bestehend aus der Windkraftanlage, einer Photovoltaikanlage und einem Dieselgenerator. Dieses System ermöglicht die autarke Stromversorgung fernab vom Stromnetz, etwa bei Hilfseinsätzen im Katastrophenfall oder zur Versorgung von entlegenen Baustellen oder Pipeline-Stationen.

Erschienen in Ausgabe: 04/2015