Technologie der Kleinwindenergieanlagen · Generatorarten Permanenterregt synchron • 3phasen Drehstrom – Kontinuierliche Leistungsabgabe – Sehr effiziente Energieübertragung
Post on 18-Sep-2018
214 Views
Preview:
Transcript
1
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
Technologie der
Kleinwindenergieanlagen
2. BWE – Kleinwindanlagen – Symposium"Kleinwindanlagen: Windenergie für Jedermann
in der Stadt und auf dem Land"
Möwenpick Hotel Kassel
17. Oktober 2009
Geringfügig gegenüber Vortag am 17.10.2009 korrigiert
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Themengebiete
• Vorstellung INENSUS
• Kurzer Einstieg in die physikalischen Grundlagen der Windenergienutzung
• Vorstellung der einzelnen Systemkomponenten und Vergleich der Varianten– Rotor
– Generator
– Steuerungs- und Sicherheitssysteme
• Systeme zur– Batterieladung
– Netzeinspeisung
– Pumpen und Heizung
• Sicherheitsanforderungen und Produktkennzeichnung
2
2
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
INENSUS GmbH
3
• INENSUS GmbH (9 Mitarbeiter)
• INtegrated ENergy SUpply Systems
• Standort am: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen efzn
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Funktionsprinzip des Rotors (1)● Stillstand
4
4 m/s 4 m/s
WindRotor
4 m/s4 m/s
1 2
3
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Funktionsprinzip des Rotors (2)● Betrieb mit Leistungsabgabe
5
1/3 *4
m/s
4 m/s
WindRotor
4 m/s1/3 *4
m/s
1
2
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Funktionsprinzip des Rotors (3)● Energie der bewegten Luft
6
2
2
1v
t
m
Zeit
EnergiekinetischePwind ==
( ) 2
2
1vvAPwind ⋅⋅= ρ
3
2
1vAPwind ⋅⋅= ρ
Leistung ist abhängig von:1. Luftdichte 2. Rotorfläche3. Windgeschwindigkeit (hoch 3)
4
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Funktionsprinzip des Rotors (4)● Grenzen der Energiewandlung
7
Wind
Wind
Wind
Roto
r
Albert Betz: Windenergie und ihre Ausnutzung durch Windmühlen (1926)
Maximale Ausnutzung des Rotors bei Auftriebs-läufern, wenn
„Erntegrad“
12 31 vv ⋅=
2v
%5927
16,
≈=BetzPc
1v
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Technische Nutzung● Verluste im System
8
ElektronikGenerator
GetriebeRotor
BetzpwindWEA cPP
ηη
ηη
⋅⋅
⋅⋅
⋅=, physikalisch nutzbar
aerodynamische und mechanische Verluste
elektrische Verluste
59%
70…90% 90…95%
80…90% 90…99%
5
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorarten (1)● Widerstandsläufer
9
2
2AvcSchub S
ρ=
Funktionsprinzip:• Rotorblatt weicht dem Wind aus
Wind
Wind
Wind
- Niedrige Drehzahl- Schlechter Wirkungsgrad+ einfache Rotorblätter+ Viel Drehmoment im
Stillstand
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorarten (2)● Auftriebsläufer
10
- wenig Drehmoment im Stillstand
- aufwendige und teure Rotorblätter
+ hohe Rotordrehzahl+ guter Wirkungsgrad
Wind
Wind
Wind
Rotorblatt
Auftrieb
Widerstand
6
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotortypen (1)● Savonius Rotor
11
Wind
Wind
Wind
Wind
Wind
• auch mit mehr Rotorblättern
• Rotorblätter teilweise versetzt
+ gutes Anlaufverhalten+ leise (sehr niedrige
Drehzahl)+ viel Drehmoment aus
dem Stillstand- teurer
Getriebegenerator- niedriger
Wirkungsgrad
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotortypen (2)● Darrieus Rotor
12
Wind
Wind
Wind
Wind
Wind
Auftrieb
Auftrieb
+ leise (niedrige Drehzahl)
+ keine Richtungs-nachführung
- teurer Generator- teure
Rotorkonstruktion- selbständiger Anlauf
nur mit mehr als 2 Rotorblättern• alternativ zusätzliche
Anlaufhilfe: Savonius / elektrisch
- hohe Rotorträgheit- ungünstige Nutzung
der Rotorfläche
7
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotortypen (3)● Horizontalachs- 3blattrotor
13
+ geringes Gewicht+ einfache
Generatoranbindung+ gute Nutzung der
Rotorfläche+ schnell laufender
Generator- etwas lauter- Windrichtungsnach-
führung notwendig- wenig Drehmoment
im Stillstand
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorkennfeld (1)● Schnelllaufzahl
14
indigkeitWindgeschw
itchwindigkeUmfangsges=λ
Widerstandsläufer λ < 1
Auftriebsläufer λ > 1
8
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorkennfeld (2)● Vergleich der Rotortypen
15
0,5
0,4
0,3
0,2
0
0,1
≈ L
eis
tun
gskoeff
izie
nt
cp
≈ Schnelllaufzahl1 2 3 4 5 6 7 8 9
Eigene Darstellung nach: Gasch/Twele: Windkraftanlagen
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorkennfeld (3a)● Synthese zum Kennfeld
16
Roto
rle
istu
ng
[W
]
Rotordrehzahl [1/min]
v=4 m/s
v=6 m/s
v=8 m/s
v=10 m/s
v=12 m/s
v=14 m/s
9
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorkennfeld (3b)● Synthese zum Kennfeld
17
0
Roto
rle
istu
ng
[W
]
2 4 6 8 10 12 14 16 18
Leistungskurve
Windgeschwindigkeit [m/s]
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Rotorkennfeld (4)● Leistungskurve
18
Leis
tun
g
2 4 6 8 10 12 14 16 180
WindP
eanlageWindenergiP
Windgeschwindigkeit [m/s]
Technische Verluste
Leistungs-begrenzung
3~ v
Nennleistung
Häufigste Wind-geschwindigkeiten
10
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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 Windgeschwindigkeiten 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
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Steuerungs- und Sicherheitssysteme
• Drehzahlüberwachung
• Generatorüberwachung
• Manuelle Abschaltung
• Notabschaltung
• Rüttelfehler bei Unwucht und Eisansatz
20
11
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Systeme zur Batterieladung (1)● Aufbau
21
3~
Lade-regler
Batterie
Haupt-schalter
DC-Verbraucher
Wechsel-richter
Gleich-richter
Lade-regler
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Systeme zur Batterieladung (2)● Funktionsprinzip
22
G3~
Generator Gleichrichter Batterie
12
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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 Wind 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 Windgeschwindigkeit
• Batterie wird geladen
• Überladung schadet der Batterie, daher ist ein Laderegler notwendig, der eigentlich ein Überladeschutz ist
23
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Systeme zur Batterieladung (4)● Einsatzgebiete
• Ländliche Elektrifizierung
• Wochenendhäuser
• Wohnwagen
• Sportboote
• Wetterstationen
• Verkehrsüberwachung
• Forschungsstationen
• Pumpstationen
• Mobilfunkstationen
24
13
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Systeme zur Netzeinspeisung (1)● Übersicht
25
Quelle: www.sieb-meyer.de
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Systeme zur Netzeinspeisung (2)● elektrische Energiewandlung
26
Quelle: www.sieb-meyer.de
14
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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 Netza. 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
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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
15
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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
16
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Sicherheitsanforderungen (1)● Normen
IEC DIN EN 61400-2: Sicherheit kleiner Windenergieanlagen
• Überdrehzahl– Redundantes System, d.h. auch bei Ausfall einer Komponente (z.B. Generator)
darf die maximale Rotordrehzahl nicht überschritten werden
– Zusätzliche Bremseinrichtung notwendig
• Windklasse (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
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Sicherheitsanforderungen (2)● Windklassen nach EN 61400-2
32
Wind-klasse
Jahres-mittel
[m/s]
v_ref[m/s]
Rayleigh
I 10 50
II 8,5 42,5
III 7,5 37,5
IV 6 300%
2%
4%
6%
8%
10%
12%
14%
0 5 10 15 20 25
Hä
ufi
gk
eit
Windgeschwindigkeit [m/s]
v=10
v=8,5
v=7,5
v=6
17
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Vergleich der Systeme● AC- und DC-Kopplung
WechselspannungsseitigeKopplung
GleichspannungsseitigeKopplung
33
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
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
18
© INENSUS GmbHDipl.-Ing. Holger Peters
2. BWE – Kleinwindanlagen – SymposiumMöwenpick Hotel Kassel (17.10.2009)
Kontakt
Ihr Partner für:
• Technische Entwicklung im Bereich Kleinwindenergie und Hybridsysteme
• Ländliche Elektrifizierung• Kleinwindmesssysteme• Netzeinspeisung• Energieeffiziente Lösungen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
INENSUS GmbHAm Stollen 1938640 Goslar
URL www.inensus.comTel +49 (5321) 6855 101Fax +49 (5321) 6855 109
35
top related