Individuell ausgelegter Generator verbessert Wirkungsbilanz nachhaltig

Kleinwindkraftanlage WESpe erzeugt Leistung mit Synchrongenerator von Johannes Hübner Giessen

 

In Kürze

  • Ziel: Realisierung einer typengeprüften Kleinwindenergieanlage mit optimalen Eigenschaften
  • Umsetzung: Individuelle Anpassung eines permanenterregten 5-kW-Generators an die Eigenschaften der Turbine und an das Betriebsführungskonzept
  • Ergebnis: Lange Lebensdauer und Maximierung der Einspeisevergütung durch optimale Nutzung der vorhandenen Windenergie
Der Generator von Johannes Hübner Giessen wurde speziell für eine hohe Energieausbeute der WESpe angepasst.Der Generator von Johannes Hübner Giessen wurde speziell für eine hohe Energieausbeute der WESpe angepasst.  
Die Kleinwindenergieanlage WESpe - hier zu sehen als Bestandteil eines hybriden Systems mit einer Solar­anlage.Die Kleinwindenergieanlage WESpe - hier zu sehen als Bestandteil eines hybriden Systems mit einer Solar­anlage.  
Der EnergyContainer® von Johannes Hübner Giessen: ein hybrides ­Energie-Konzept für die mobile Strom­­versorgung.Der EnergyContainer® von Johannes Hübner Giessen: ein hybrides ­Energie-Konzept für die mobile Strom­­versorgung.  
 

Große Energieausbeute bei kleinen Windkraftanlagen – die 4-Blatt-Lee-Läufer-Anlage WESpe ist in der Lage, einen großen Windgeschwindigkeitsbereich zu nutzen und sichert damit einen hohen Wirkungsgrad. Verantwortlich dafür ist neben den technischen Merkmalen der Anlage wie passive Blattwinkelverstellung, aerodynamische Form der Gondel und passive Windnachführung auch die individuelle Adaption des permanenterregten Synchrongenerators von Johannes Hübner Giessen. Der Generator wurde so angepasst, dass auf eine schwere IEC-Aufnahme am Getriebe verzichtet werden konnte, der Wechselrichter in einem optimalen Spannungsbereich arbeitet und die Anlage nahezu rastmomentfrei läuft.

Die dezentrale Stromversorgung wird in Deutschland immer interessanter. Privathaushalte, Gemeinden, Unternehmen oder landwirtschaftliche Betriebe möchten unabhängig von den Stromanbietern autark Energie erzeugen. Immer beliebter wird dabei die Stromgewinnung durch Wind. Im Jahr 2013 erreichte die Windenergie einen Anteil von 8,9 Prozent am Bruttostromverbrauch und baute damit ihre Position als wichtige Stromquelle im Bereich der erneuerbaren Energien aus. Diese Zahl gilt jedoch vorwiegend für Großwindkraftanlagen. Kleinwindkraftanlagen mit einer Leistung unter 100 kW, die vornehmlich für die Stromerzeugung auf eigenem Grund eingesetzt werden, haben sich in Deutschland noch nicht weitläufig etabliert. 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, und es existiert noch kein einheitlicher Zertifizierungs- bzw. Qualitätsstandard für die Anlagen.

„Für den Endkunden ist der Markt für Kleinwindenergie derzeit noch unübersichtlich. In Deutschland gibt es noch viel Potenzial für die Kleinwindkraft“, erklärt Ludolf Ibs, Geschäftsführer bei der WES energy GmbH. Der Anbieter für Konzepte und Systeme im Bereich erneuerbare Energien mit Sitz im schleswig-holsteinischen St. Michaelisdonn hat die Kleinwindenergieanlage WESpe 5.0 entwickelt. Diese hat nach einer Testphase ab 2005 vor drei Jahren die Serienreife erlangt, nachdem sie erfolgreich durch die TÜV Nord Systec GmbH & Co. KG in Übereinstimmung mit den Regelungen der DIN 61400-2 typengeprüft wurde. „Die WESpe ist eine der wenigen Anlagen, die über eine TÜV-Abnahme verfügt. Diese Typenprüfung hat unter anderem den Vorteil, dass das Baugenehmigungsverfahren für den Endkunden vereinfacht werden kann“, so Ludolf Ibs. 

Die 4-Blatt-Lee-Läufer-Anlage mit passiver Blattwinkelverstellung verstellt die Rotorblätter abhängig von der Rotordrehzahl fliehkraftabhängig ab ca. 150 min-1. Die Rotorleistung wird mittels zweifach gelagerter Rotorwelle und einer dreh-elastischen Kupplung zur Getriebe-/Generatoreinheit geführt. Die Leistungserzeugung findet in einem direkt an das Getriebe angeflanschten, permanenterregten Synchrongenerator von Johannes Hübner Giessen statt. Der hessische Motoren- und Generatorenhersteller hat sich durch Sonderkonstruktionen und Prototypenfertigungen, die nach Kundenwunsch entstehen, in vielen Industriebereichen seit über 20 Jahren einen Namen gemacht. Speziell für den Betrieb in der WESpe wurde der Generator an das Getriebe so angepasst, dass Gewicht in der Gondel eingespart werden konnte. Ebenso wurde der Spannungsbereich des Generators auf den Wechselrichter in Bezug auf den vorhandenen Drehzahlbereich und die Eigenschaften der Turbine ausgelegt und der maximale Wirkungsgrad des Generators auf die vorhandenen Turbinen-Drehzahlen und Leistungen koordiniert. „Um auch bei niedrigen Drehzahlen ein optimales Anlaufverhalten zu erreichen, werden unsere Generatoren annähernd rastmomentfrei ausgeführt, was die Energieausbeute verbessert“, ergänzt Prof. Ewald Ohl, Leiter der Abteilung Energiesysteme bei Johannes Hübner Giessen. 

Generator hilft, auf IEC-Adapter zu verzichten 

Ein weitreichender Effekt hinsichtlich Gewichtsreduzierung konnte erzielt werden, indem am Getriebe die sogenannte IEC-Aufnahme oder IEC-Glocke einspart wurde. Das Gewicht der Gondel muss aus zwei Gründen gering sein: Einerseits lässt sich die Windkraftanlage mit einer leichten Gondel besser aufstellen, andererseits verhindert ein geringes Gewicht die Entstehung von Eigenfrequenzen. Diese würden wiederum Schwingungen erzeugen, die die Anlage schädigen. Die etwa vier bis fünf Kilogramm schwere IEC-Glocke befindet sich üblicherweise am Getriebe, um den Generator mit einem Standardwellenende aufzunehmen. Johannes Hübner Giessen fertigte den Generator so, dass er direkt in das Getriebe passte. Die Welle musste speziell für das Getriebe mit Sonderwelle und Sonderlagerschild ausgelegt werden, damit auf die IEC-Glocke verzichtet werden konnte. „Das ist keine typische Vorgehensweise. Das macht nicht jeder Hersteller. Wir gehen auf jeden Kunden besonders ein und setzen seine Wünsche um“, erklärt Prof. Ing. Ewald Ohl. 

Eine weitere Maßnahme für die individuelle Anpassung des Generators umfasst die Abstimmung der Generatorspannung für den Wechselrichter auf den speziellen Einsatzfall. Dies war erforderlich, da der Wechselrichter nur einer gewissen Eingangsspannung standhält bzw. nur in einer gewissen Eingangsspannung arbeitet. Wird diese nach oben überschritten, nimmt die Elektronik des Wechselrichters Schaden. „Damit dies nicht passiert, muss ein besonderer Schutz gewährleistet sein. Der Generator musste hierfür in den Arbeitsbereich des Wechselrichters hinsichtlich der Spannung angepasst werden“, so Prof. Ewald Ohl. Auf diese Weise bleibt der Generator auch bei Überdrehzahl intakt und speist dagegen auch bei niedriger Drehzahl noch Energie in den Wechselrichter ein. Denn der Arbeitsbereich des Wechselrichters hängt unmittelbar mit den Windgeschwindigkeiten zusammen: Bei niedriger Windgeschwindigkeit dreht der Generator langsam und soll, wenn möglich, noch einspeisen; bei hoher Windgeschwindigkeit droht Überdrehzahl und damit Überspannung, die den Wechselrichter schädigt. 

Sicherheitskonzept und Anlaufverhalten
Weiterhin passte Johannes Hübner Giessen den Generator für das Sicherheitskonzept der WESpe an. Laut Vorgaben des TÜV müssen zwei voneinander unabhängige Bremssysteme in einer Kleinwindkraftanlage vorhanden sein. Entscheidend war, dass eine Kurzschlussbremsung, also ein Stopp durch Kurzschließen der drei Phasen am Generator, möglich ist. Es geht darum, ein maximales Moment als Gegenmoment für den Wind zur Abbremsung der Turbine zu erreichen. Eine Widerstandsbremsung erfolgt dann, wenn der Generator so stark belastet wird und das Gegenmoment so groß wird, dass es die Windkraft nicht mehr schafft, das Windrad zu drehen. „Wenn die Elektronik in der Gondel ausfällt, dann funktioniert die Steuerung nicht mehr. Dann muss es die Möglichkeit geben, den Generator manuell abzubremsen, indem man die Klemmen des Generators kurzschließt“, so Prof. Ewald Ohl. Bei der zweiten Komponente des Sicherheitssystems handelt es sich um ein Passiv-Pitch-System. Dieses bewirkt, dass sich die Windblätter bei Überdrehzahl aus dem Wind drehen. 

Ein weiterer Aspekt der für die WESpe spezifischen Konfigurierung betrifft das Anlaufverhalten. Johannes Hübner Giessen konstruierte den Generator-Läufer so, dass das Anlaufmoment möglichst gering ausfällt. Auf diese Weise läuft die Windkraftanlage möglichst leicht und ohne störende ruckartige Bewegungen an. Das Rastmoment steht in direktem Zusammenhang mit Anlagenschwingungen, die sich verstärkt negativ auswirken, wenn das generatorseitige Rastmoment zu groß ausgeführt ist. Unerwünschte Schwingungen können einerseits zu Geräuschentwicklung führen und andererseits Schäden an den Bauteilen des Generators verursachen. „Das Anlaufverhalten ist ein Zusammenspiel aus der Einstellung der Rotorblätter und der dagegen stehenden Auslegung der Einzelkomponenten im Zusammenspiel als Triebstrang“, ergänzt Ludolf Ibs. Das Rast- bzw. Anlaufmoment wird maßgeblich durch die Ausführung des Generators bestimmt. Hinzu kommt der Widerstand des Getriebes durch Reibung und Walgverluste der Ölfüllung. 

Lange Lebensdauer dank Robustheit

Windkraftanlagen sind jeder Witterung ausgesetzt und müssen einen sicheren Betrieb auch bei wechselnden Windverhältnissen bzw. Windstärken gewährleisten. Die Generatoren von Johannes Hübner Giessen sind in ihrer Ausführung als Graugussgehäuse sehr robust. Am Beispiel der Kurzschlussbremsung wird der Vorteil deutlich: Das Graugussgehäuse des Generators ist widerstandsfähiger als üblicherweise verwendete Gehäuse aus Aluminium. Beim Kurzschließen des Generators tritt eine große Menge überschüssige Energie auf. „Das Graugussgehäuse kann die Energie aufnehmen. Damit kann man den Generator zuverlässig abbremsen“, erläutert Prof. Ewald Ohl. 

Das Graugussgehäuse ist zudem mechanisch robuster. Es verfügt über eine seewasserbeständige Lackierung, um durch salzhaltige Luft entstehende Korrosionsschäden zu vermeiden. Mit der Schutzart IP55 wird bestätigt, dass der Generator vor dem Eindringen von Fremdkörpern und Strahlwasser geschützt ist. Grundsätzlich verfügen alle Hübner-Generatoren über eine besondere mechanische Stabilität. Prof. Ewald Ohl erklärt: „Unsere Generatoren sind passend zur Anwendung dimensioniert.“ Die robuste Bauweise zeigt sich an den verstärkten Wellen und verstärkten Lagerschilden. Das ist von Vorteil, da die Belastung von Windkraftanlagen sehr unterschiedlich ist. Beispielsweise können bei starken Böen Querkräfte in der Windkraftanlage auftreten, die durch die verstärkten Sonderlagerschilde und verstärkte Lagerung abgefangen werden. 

Effekt der individuellen Anpassung

Für eine große Energieausbeute ist es entscheidend, dass die Energie bei möglichst vielen Windgeschwindigkeiten genutzt werden kann. Dieses Ziel wurde durch die technischen Eigenschaften der Anlage wie die aerodynamische Verkleidung, durch das optimierte Rotorkonzept mit vier Flügeln sowie durch die individuelle Anpassung des Generators erreicht. Im Gegensatz zu einem Asynchrongenerator kann der permanenterregte Synchrongenerator einen  großen Windgeschwindigkeitsbereich nutzen und sichert über eine lange Betriebszeit einen hohen Wirkungsgrad. So lässt sich in Verbindung mit dem drehzahlvariablen Betrieb eine hohe Leistungsdichte für alle Windgeschwindigkeiten erreichen. Damit die Anlage reibungslos und effizient arbeitet, müssen alle Komponenten zu 100 Prozent ineinandergreifen. 

Die Zusammenarbeit von Johannes Hübner Giessen mit der WES energy GmbH ging über die individuelle Adaption des Generators hinaus. Nach Serienreife der Kleinwindkraftanlage WESpe integrierte Johannes Hübner Giessen diese als eine der Komponenten ihres EnergyContainers® – ein hybrides Energie-Konzept für die mobile Stromversorgung, bestehend aus der beschriebenen Windturbine, einer  Solaranlage und einem Dieselgenerator. Der EnergyContainer® ist ein völlig autarkes System, das Energie fernab vom Stromnetz erzeugen kann wie etwa bei Hilfseinsätzen im Katastrophenfall und bei der Versorgung von entlegenen Baustellen oder Pipeline-Stationen. Sowohl der EnergyContainer® als auch die WESpe leisten demnach einen wichtigen Beitrag für die autarke Energieversorgung – der EnergyContainer® vorwiegend für die Stromversorgung an entlegenen Orten und in unwegsamem Gelände, die WESpe unterstützt Privathaushalte, Gemeinden, Unternehmen oder landwirtschaftliche Betriebe dabei, in Zukunft unabhängiger von den Stromanbietern autark Energie mit großer Ausbeute zu erzeugen.