Projekt-Info 2/2007 - BINE Information Service

Kleine Windenergieanlage
für Netz- und Inselbetrieb
Abb. 1
䊳 Netz- und Inselbetrieb möglich
䊳 Angepasst für extreme Klimazonen
䊳 Angestrebter Serienpreis von etwa
1.000 €/kW (ohne Turm)
Prototyp mit 5 kW Nennleistung
R
und zwei Milliarden Menschen sind noch nicht ausreichend
mit Strom versorgt. Während in Entwicklungsländern weite
Teile des ländlichen Raumes betroffen sind, leben in Europa
bis zu zwei Millionen Menschen fernab von Versorgungsleitungen,
meist auf kleinen Inseln oder in unzugänglichen Bergregionen. Die
Elektrifizierung beginnt hier oft mit einzelnen, dezentralen Inselsystemen, die sich auf Dieselaggregate stützen. Versuchte man früher eine
Grundversorgung mit vielen kleinen, nur bedingt ausbaubaren Systemen herzustellen, werden jetzt zunehmend Wechselstrom-Inselnetze
mit neuen Möglichkeiten konzipiert. Dezentral erzeugter Strom aus
Dieselaggregaten, Photovoltaik, Wasserkraft und auch aus Windenergie wird an beliebigen Stellen in das Netz eingespeist. Die Inselnetze
können entsprechend dem Bedarf und den finanziellen Möglichkeiten erweitert und miteinander verbunden werden. An der Entwicklung der modularen Systemtechnik und ihrer Komponenten für solche
hybriden Anlagen wurde in den letzten Jahren intensiv geforscht.
In einem vom Bundesumweltministerium geförderten Forschungsprojekt wurde eine kleine Windenergieanlage entwickelt, die mit einer
Nennleistung von 5 kW sowohl im Inselbetrieb als auch netzparallel eingesetzt werden kann. Leichte Bauweise, hohe Verfügbarkeit,
lange Wartungsintervalle sowie ein optimierter Energieertrag sollen
die Betriebskosten niedrig halten und den Einsatz in entlegenen
Netzen auch bei ungünstigen Klimabedingungen möglich machen.
Die Entwickler streben einen Serienpreis von etwa 1.000 €/kW
(ohne Turm) an, also in etwa ein Betrag, wie er heute bei Großanlagen üblich ist. Dazu wurden alle Komponenten der Windenergieanlage auf Einsparungs- bzw. Verbesserungsmöglichkeiten hin geprüft. Vor allem für die bei kleinen Anlagen oft überproportional
teuren Komponenten Rotorblätter und Generator wurden Optimierungsmöglichkeiten erforscht.
䊳
Bedarf und Angebot
Länder, die mit elektrischer Energie unterversorgt sind, lassen sich relativ leicht
identifizieren. Wo aber windgestützte dezentrale Energiesysteme tatsächlich Absatzchancen haben, hängt von zahlreichen Faktoren wie Infrastruktur, Klima,
Finanzierung usw. ab. In einer umfangreichen Marktanalyse wurden die weltweiten Möglichkeiten für eine dezentrale
Stromversorgung mit kleinen, autonomen
Systemen untersucht. Zentrale Fragestellung war, welche Länder für den Einsatz
der projektierten 5 kW-Windenergieanlage
in Frage kommen. Für die USA, Indien,
Australien, Großbritanien und China
wurden die größten aktuellen Marktpotenziale ermittelt. Hierbei wurde neben
der Bevölkerungssituation, dem Bruttoinlandsprodukt und den Windbedingungen
䊳
Die Windenergieanlage soll auch an Einsatzorten
mit extremen klimatischen Bedingungen eingesetzt
werden können. Daher wurden Anforderungen
definiert, die über die Vorgaben der internationalen
Normenreihe IEC 61400 hinausgehen:
■ maximale Überlebenswindgeschwindigkeit von 65 m/s
■ geringe Geräuschentwicklung
durch niedrige Rotordrehzahlen
■ hohe Schutzklasse gegen Feuchtigkeit und
Staub für das Gehäuse (IP65)
■ Betriebstemperatur von -25°C bis 50°C
■ Für unterschiedliche Netzspannungen geeignet
400V / 3phasig und 240V / 1phasig
■ Für 50 Hz und 60 Hz einsetzbar
■ mit geringen technischen Hilfsmitteln
durch Menschenkraft aufstellbar
■ hohe technische und Personensicherheit
■ einfache Bedienbarkeit ohne Spezialwissen
■ hohe Robustheit und Zuverlässigkeit
■ hohe Lebensdauer bei langen Wartungszyklen
Weniger ist mehr – Anlagendesign
Eine besondere Herausforderung ist die
größtmögliche Zuverlässigkeit bei geringstem Wartungsbedarf. Dazu werden störungsanfällige mechanische Funktionseinheiten
der Windenergieanlage reduziert bzw. auf
elektrische Komponenten verlagert. Als selbst
nachführender Leeläufer kommt sie ohne
aktive Steuerelemente zur Windnachführung
aus. Auch auf eine Eklipsenregelung, die
den Rotor bei Extremwind aus dem Wind
schwenkt, kann mit einem speziellen Rotorkonzept verzichtet werden. Alle Anlagenteile sind langfristig gegen das Eindringen
von Sand und Staub sowie gegen Korrosion
durch stark salzhaltige und feuchte Luft zu
schützen. Dabei soll das Gondelgewicht
Transport und Errichtung der Anlage mit
einfachen Mitteln ermöglichen. Die Konstruktion und Fertigung aller Komponenten
wurden auf Einsparmöglichkeiten und Vereinfachungen bei optimiertem Wirkungsgrad geprüft. Dies galt insbesondere für die
bei kleinen Anlagen oft überproportional
teuren Rotorblätter und Generatoren.
Der Klügere gibt nach – der Rotor
Die drei Rotorblätter der Anlage werden
kostengünstig als stranggezogene Profile
aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)
hergestellt (Abb. 3). Das Material besitzt gute
Ermüdungseigenschaften, eine hohe Abriebfestigkeit und hervorragende UV-Beständigkeit. Die Blattprofile sind so ausgelegt, dass
die abgegebene Leistung bei hohen Windgeschwindigkeiten durch Strömungsabriss
(Stall-Effekt) begrenzt wird. Trotz einfacher
Blattbauweise mit konstanter Tiefe und ohne
Verwindung erreicht der Rotor einen hohen
Wirkungsgrad (cp = 0,43).
Die Windenergieanlage überlebt Windgeschwindigkeiten bis zu 65 m/s. Dies entspricht schwersten Wetterlagen – weit jenseits von Orkanwindstärken. Erreicht wird
2
auch berücksichtigt, inwieweit in diesen
Ländern bereits jetzt Strukturen für den
Vertrieb kleiner Windenergieanlagen und
zur Umsetzung von Projekten zur dezentralen Energieversorgung vorhanden sind.
Im Leistungsbereich von wenigen Kilowatt wird eine Vielzahl kleiner Windenergieanlagen angeboten, die meistens in
geringer Stückzahl gefertigt werden. Die
größenspezifischen Preise dieser kleinen
Anlagen liegen zum Teil auf doppeltem
oder sogar dreifachem Niveau der heutigen großen Windenergieanlagen. Vielfach
ist ihre elektrotechnische Ausrüstung
nicht für den direkten Anschluss an moderne Hybridsysteme zur dezentralen
Versorgung vorgesehen.
Projektziele
BINE projektinfo 02/07
Abb. 2: Gondel des Prototyps ohne Gehäuse
dies durch eine geringe Biegesteifigkeit der
Rotorblätter in Schlagrichtung. Bei einem
Extremwind von 65 m/s reduziert sich dadurch der Rotorradius auf 67%. Gleichzeitig vermindert sich mit der Krümmung der
Widerstandsbeiwert. Diese beiden Effekte
zusammen begrenzen bei Extremwindbedingungen den Windschub auf die gesamte
Anlage im Vergleich zu Anlagen mit steifen
Blättern auf die Hälfte. Dadurch kann Material für die lastübertragenden Komponenten wie Rotorwelle, Maschinengehäuse,
Vertikallagerung, Turm, Abspannung und
Fundament gespart werden, so dass sich die
Herstellungskosten der Anlage erheblich
vermindern.
Abb. 3: Rotorblatt im Windkanal
Angepasst – der Generator
Der Rotor ist über ein einstufiges Stirnradgetriebe mit einem Asynchrongenerator
gekoppelt. Der polumschaltbare Generator
wird entsprechend der aktuell eingespeisten Leistung zwischen zwei Drehzahlen
geschaltet. Die Nennleistung der ersten
Stufe beträgt 1,5 kW, die der zweiten Stufe
5,5 kW.
In der schnellen Drehzahlstufe erreicht der
Generator hohe Teillast- und Maximalwirkungsgrade bis hin zu etwa 90% bei einer
Leistungsabgabe von 3 kW (Abb. 4). Auch
in der langsamen Drehzahlstufe liegt das
Wirkungsgradmaximum von 84% bei einer
Leistungsabgabe von etwa 1 kW. Die hohen
Wirkungsgrade bei niedrigen Leistungen
kommen der Auslegung einer Windkraftanlage sehr entgegen, da ihre größten Beiträge
zum Energieertrag aus mittleren Windgeschwindigkeiten resultieren. Etwas geringere
Wirkungsgrade bei Nennleistung reduzieren den Gesamtenergieertrag vergleichsweise wenig.
Großen Aufwand trieben die Entwickler,
um den Luftspalt zwischen Rotor und Stator
zu verringern. Dieser hat einen entscheidenden Einfluss auf den Leistungsfaktor des
Generators und damit auf die Blindleistung
des Generators, die von anderen Komponenten im Netz bereitgestellt werden muss.
Die technisch noch realisierbare Verringerung des Luftspalts auf nur noch 0,25 mm
verbesserte den Leistungsfaktor im Teillastbereich um 10%. Gleichzeitig stieg auch
der Wirkungsgrad im Teillastbereich um ca.
10 Prozentpunkte.
Flexibel – die Betriebsführung
Die Windenergieanlage ist für unterschiedliche elektrische Netzbedingungen ausgelegt. Sie kann sowohl netzparallel als auch
im Inselnetz, zusammen mit einem Batterie-
Abb. 4: Wirkungsgrad des Generators in
der schnellen Drehzahlstufe bei
unterschiedlichen Netzspannungen
Wirkungsgrad [%]
100
80
60
40
90% Nennspannung
Nennspannung (400V)
110% Nennspannung
20
0
0
2.000 4.000 6.000
elektrische Leistung [W]
8.000
wechselrichter betrieben werden. Neben
der Ausführung mit einem 3-phasigen Generator (400 V / 50 Hz) ist eine Variante mit
1-phasigem Generator (240 V / 60 Hz) für
䊳
den Betrieb in den USA vorgesehen. Die Betriebsführungseinheit ist in einem separaten
Edelstahl-Gehäuse in Schutzart IP65 untergebracht, das unten am Turm befestigt wird.
Sie verfügt über eine Datenschnittstelle, über
die Messdaten erfasst und Parametereinstellungen vorgenommen werden können. Über
eine Telefonleitung oder ein GSM-Modem
ist eine Fernüberwachung möglich.
Die Betriebsführungseinheit hat die Aufgabe,
sämtliche Betriebszustände der Anlage zu
erkennen und entsprechende Reaktionen
auszulösen. Für den sicheren Anlagenbetrieb
sorgt eine Kette von Sensoren, die den Betrieb
überwachen. Diese Sicherheitskette besteht
aus einem Überdrehzahlschalter, einem Rüttelsensor und einem Temperatursensor.
Abb. 5: Technische Daten
Generator:
Asynchrongenerator,
polumschaltbar
Nennleistung
(4-polig / 6-polig):
5,5 / 1,5 kW
Frequenz:
50 Hz (60 Hz)
Einschalt-; Nennwindgeschwindigkeit:
3,5 m/s; 13,0 m/s
Betriebstemperaturbereich: -25°C bis 50°C
Rotor:
3 Blatt, freier Leeläufer,
Passiv-Stall
Rotordurchmesser; Masse: 5,1 m; 31 kg
Nenndrehzahl:
133 / 200 min-1
Mast, abgespannt:
Gittermast, Rohrmast
Gondelmasse ohne Rotor:
110 kg
Im Netz und Autonom – Prototypen im Test
Abb. 6: Prototyp auf dem Teststand
Die ersten beiden Prototypen wurden zunächst
auf einem Teststand der Universität Kassel
erprobt (Abb. 6). Die Dynamik des Windes
wurde dabei durch einen an den Generator
geflanschten Motor simuliert. Vor allem die
Untersuchung von Spannungen und Strömen
beim Aufschalten des Generators über die
neu entwickelte Betriebsführungseinheit auf
das Inselnetz erbrachte viele Erkenntnisse,
die in die ersten Versionen der Betriebsführung einfließen konnten.
Im Netz
Ein auf dem Teststand optimierter Prototyp
wurde im Frühjahr 2004 auf dem Testfeld
der Windtest Kaiser-Wilhelm-Koog GmbH
errichtet. Die Anlage ist parallel zum Netz
angeschlossen und läuft seit Spätsommer
2004 im vollautomatischen Betrieb. Nachdem sie ihre grundsätzliche Eignung bestä-
tigte, wurden umfangreiche Optimierungsarbeiten gestartet. Untersucht wurden z. B.
das Anlaufverhalten, die automatische Netzauf- und -abschaltung oder das Umschalten
zwischen den Generatorstufen. Auch die
Ausrichtung der Gondel relativ zur Windrichtung wurde ausgewertet. Würde die
Gondel stark pendeln und häufig schräg angeströmt, könnte ein Teil der Energie nicht
genutzt werden und der Turm zu Schwingungen angeregt werden. Die Messungen zeigten eine stabile Windrichtungsnachführung.
Auf Grundlage der Messungen konnten Anlagenkonzept und Komponenten deutlich
verbessert werden. So zeigt z. B. die Auswertung für zwei unterschiedliche Einstellwinkel der Rotorblätter, wie sensibel die Leistungsabgabe auf den Einstellwinkel reagiert
(Abb. 8). Zur Optimierung der ersten Blattprofile musste der vorgesehene Einstellwinkel um lediglich 1° korrigiert werden, um die
Leistungsabgabe zu optimieren.
- und Autonom
Der zweite Prototyp wird im Betrieb an einem
autonomen Hybridsystem getestet. Das Testfeld „Alte Schanze“ bei Kassel befindet sich
in etwa 400 m Höhe. Gelände und Bewuchs
sorgen für typische Binnenland-Windver-
Abb. 7: Blockschaltbild des Experimentier-Hybridsystems
Meteorologischer Messmast
hältnisse mit im Vergleich zur Küste durchschnittlich eher niedrigen Windgeschwindigkeiten und relativ hohen Turbulenzen.
Das Hybridsystem (Abb. 7) wird autonom
ohne Anschluss an das Netz mit einer 2,6 kW
Photovoltaik-Anlage und der Windenergieanlage betrieben. Ein Diesel-Generator dient
als Backup. Den Kern des ExperimentierHybridsystems bilden drei Batterie-Wechselrichter (4,5 kW), die zusammen mit der Batteriebank (60 V, 30 kWh) das Netz bilden
und überwachen. Alle anderen ans Netz angeschlossenen Komponenten (3 PV-Stromrichter mit je 850 W, Dieselaggregat 9 kW)
speisen zusätzlich zu der Windenergieanlage in das Inselnetz ein.
Untersucht wird vor allem das Zusammenspiel mit den Batterie-Wechselrichtern. Dazu
werden Spannungen, Ströme und die Frequenz für verschiedene Betriebszustände
und insbesondere beim Aufschalten auf das
Netz und beim Umschalten zwischen den
beiden Generatorstufen beobachtet. Auch
die Windenergieanlage selbst wird untersucht, etwa die Auswirkungen des Turmschattens auf Rotordrehmoment und Leistung, Schwingungsanregung von Turm und
Blättern oder die Wirkung des Stall-Effektes
zur Begrenzung der Leistung.
Abb. 8: Gemessene Leistung mit 5° und 7° Einstellwinkel
der Rotorblätter
7° Pitch
Übergeordnete Betriebsführung, Datenerfassung
5° Pitch
7
Energie-Bus 400V / 50 Hz
6
Energie- und
Leistungsmessung
5
Informations-Bus
kW
4
3
2
Betriebsführungseinheit
Batterie mit netzbildenden
Wechselrichtern
ASM
Windgenerator
ASM
1
0
PV-Generator mit
Wechselrichtern
DieselNetz- Lasten
generator anschluss
-1
0
2
4
6
8
10
m/s
12
14
16
18
BINE projektinfo 02/07
20
3
䊳
Ausblick
PROJEKTORGANISATION
Die Ergebnisse auf den Testfeldern „Kaiser-Wilhelm-Koog“ und „Alte Schanze“ sind
so ermutigend, dass eine Vorserie unter realen Betriebsbedingungen getestet werden soll.
Derzeit werden zehn Anlagen aus der Vorserie weltweit an Standorten aufgebaut, die
extreme Wetterbedingungen bieten: hohe Windgeschwindigkeiten, extreme Temperaturdifferenzen, Feuchtigkeit, Staub und salzhaltige Luft.
Aus einer großen Anzahl von Standortbewerbern, wurden nach intensiver Prüfung folgende Standorte für die zehn Anlagen ausgewählt:
■ Griechenland, Berg Athos (Betrieb in einem Inselnetz)
■ Madagaskar, Sahasifotra (Betrieb in einem Inselnetz)
■ Frankreich, La Baume de Transit (Netzparalleler Betrieb)
■ Irland, Cape Clear (Netzparalleler Betrieb)
■ Deutschland, Großschirma Erzgebirge (Betrieb in einem Inselnetz)
■ Deutschland, Göttingen (Betrieb in einem Inselnetz)
■ Spanien, Teneriffa (Netzparalleler Betrieb)
Der Testbetrieb ist derzeit für die Dauer von ca. einem Jahr festgesetzt. Die Erfahrungen an diesen Standorten werden in das endgültige Design der Anlage einfließen.
Mitte 2008 sollen die ersten Serienanlagen unter der Bezeichnung „aeroSmart5“ ausgeliefert werden.
Die Nennleistung der Windenergieanlage ist auf die typischen kleinen Leistungen von
Generatoren und Verbrauchern in dezentralen Versorgungssystemen abgestimmt. Bei
etwas größeren Verbraucherleistungen können aufgrund der modularen Philosophie
des Hybridsystems leicht mehrere Windkraftanlagen parallel integriert werden. Für
diesen Fall wäre wahrscheinlich eine 10-kW-Windkraftanlage deutlich kostengünstiger als zwei 5-kW-Anlagen. Deshalb sollen die Möglichkeiten zur Entwicklung einer
10-kW-Variante auf der Basis der jetzt in der Erprobung befindlichen Windenergieanlage untersucht werden.
■ Bundesministerium für Umwelt,
Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU)
11055 Berlin
Projektträger Jülich
Forschungszentrum Jülich GmbH
Jochen Viehweg
52425 Jülich
■ Förderkennzeichen
0329908A, 0329908B
IMPRESSUM
■ ISSN
0937 – 8367
■ Version in Englisch
Das Dokument finden Sie unter
ww.bine.info.
■ Herausgeber
FIZ Karlsruhe
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
■ Urheberrecht
Eine Verwendung von Text und Abbildungen
aus dieser Publikation ist nur mit Zustimmung
der BINE-Redaktion gestattet.
Sprechen Sie uns an.
■ Autor
Dr. Franz Meyer
BINE Informationsdienst
Energieforschung für die Praxis
Projektleitung, Betriebsführung, elektrische Komponenten, Systemintegration
• SMA Technologie AG
Hannoversche Straße 1-5
34266 Niestetal Germany
Marktanalyse
• microwind GmbH
Bonnstraße 18, 50321 Brühl
mechanischer Aufbau
• aerodyn Energiesysteme GmbH
Provianthausstraße 9
24768 Rendsburg
Generator
• Universität Kassel, Institut für Elektrische Energietechnik Elektrische
Energie-Versorgungs-Systeme
Wilhelmshöher Allee 71
34109 Kassel (IEE-EVS)
Messung und Auswertung
• Institut für Solare
Energieversorgungstechnik (ISET) e. V.
Königstor 59, 34119 Kassel
4
BINE projektinfo 02/07
ERGÄNZENDE INFORMATIONEN
Literatur
• Geipel, R.; Hahn, B.; Landau, M. u.a.:
Kleine Windkraftanlage für modulare
Hybridsysteme. - Entwicklung und Prototypentest -. Kasseler Symposium EnergieSystemtechnik 2004. Kassel, 11.-12. Nov.
2004. Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) Verein an der Universität Gesamthochschule Kassel e.V., Kassel
(Hrsg.). 2004. 22 S.
In kostenfreien Broschüren, unter
www.bine.info und per Newsletter
zeigt die BINE-Redaktion, wie sich gute
Forschungsideen in der Praxis bewähren.
BINE Informationsdienst ist ein
Service von FIZ Karlsruhe und wird
vom Bundesministerium für Wirtschaft
und Technologie (BMWi) gefördert.
Kontakt
Haben Sie Fragen zu diesem projektinfo?
Wir helfen Ihnen weiter:
Tel. 0228 92379-44
Internet
• www.aerosmart.de
Service
• Ergänzende Informationen wie Literatur,
Adressen und Internet-Links sind beim
BINE Informationsdienst erhältlich oder
im Internet unter www.bine.info
(Service/Infoplus) abrufbar
Abbildungsnachweis
• Abb. 1, 4, 7: ISET e. V.
• Abb. 2: SMA AG
• Abb. 3, 6, 8: aerodyn GmbH
FIZ Karlsruhe, Büro Bonn
Kaiserstraße 185 – 197
53113 Bonn
[email protected]
www.bine.info
Gedruckt auf Recyclingpapier · Gestaltung und Layout: KERSTIN CONRADI · Mediengestaltung, Berlin
PROJEKTADRESSEN
▼
▼
BINE Informationsdienst berichtet
zu Energieeffizienztechnologien und
Erneuerbaren Energien.