Kleinwindkraftanlagen mit leistungsfähigen Generatoren

  • Der Windkraftgenerator DSHT-650 von Baumüller sitzt direkt hinter den Rotorblättern und wird über die Kühlrippen ausschließlich durch den Luftstrom der Rotorblätter gekühlt.Der Windkraftgenerator DSHT-650 von Baumüller sitzt direkt hinter den Rotorblättern und wird über die Kühlrippen ausschließlich durch den Luftstrom der Rotorblätter gekühlt.

Die Windenergie gilt als eine der vielversprechendsten regenerativen Energiequellen. Allerdings werden hierzulande die geeigneten Standorte für Großwindanlagen knapp. Ein Windanlagenbauer möchte deshalb mit kleineren, neuentwickelten Anlagen weitere Standorte erschließen. Ein spezieller Synchrongenerator, der direkt hinter den Rotorblättern montiert ist, sorgt für einen hohen Energieertrag.

Ende 2014 fiel bei Solutions 4 Energy der Startschuss für die Entwicklung einer Kleinwindenergieanlage (KWEA). Drei Anforderungen waren dem Unternehmen dabei wichtig: kein Öl im System für einen minimalen Wartungsaufwand, hohe Effizienz und die gleichen Sicherheitsstandards wie bei Großwindanlagen. Interessant sind 30K16-Anlagen, die einen durchschnittlichen Jahresertrag von 1000.000 kWh liefern, für Gemeinden, landwirtschaftliche Betriebe und mittelständische Unternehmen. Partner bei der Entwicklung war der Antriebs- und Automatisierungsspezialist Baumüller: Das Nürnberger Unternehmen sorgte für einen geeigneten Generator.

Entstanden ist eine Anlage, die mit einem neuen Konzept zur Generatorkühlung und einer neuen Technologie im Rotorblattbereich einen hohen Ertrag, geringe Wartungszyklen und eine hohe Flexibilität bietet. Rund 25 durchschnittliche 4-Personen-Haushalte, die im Jahr 2017 in Deutschland jeweils rund 4.000 kWh Strom verbrauchten, können mit einer Anlage versorgt werden. Die KWEA kann zur Einspeisung ans Netz angeschlossen oder aber zur dezentralen Energieversorgung für die Selbstversorgung eingesetzt werden. Die Anlage ist schwarzstartfähig, das heißt, sie ist auch ohne Netzanschluss einsetzbar, ein wichtiger Aspekt für die Nutzung in entlegenen Gebieten, zum Beispiel in Afrika oder Südamerika. Aktuell arbeitet Solutions 4 Energy an einem Konzept zur Stromspeicherung und weiteren Varianten des Inselnetzbetriebes, so dass auch eine dauerhaft zuverlässige Energieversorgung ohne die Überbrückung von windarmen Zeiten, zum Beispiel durch Dieselgeneratoren, möglich ist.

Alles elektrisch und ohne Öl

Der Rotordurchmesser der KWEA 30K16 beträgt 16 Meter, damit eignet sie sich besonders für Starkwind-Standorte. Für Schwachwind-Standorte bietet Solutions 4 Energy die Nachfolgevariante 30K20 an, die mit einem Rotordurchmesser von 20 Metern ein geringeres Windvorkommen ausgleicht.

In drei Nabenhöhen – 22, 32 und 40 Metern – sind die KWEAs verfügbar. Wichtig war, dass die höchste Anlage unter 50 Metern bleibt, um den Genehmigungsprozess so einfach wie möglich zu halten. Bei der Rotorblattverstellung setzt Solutions 4 Energy auf die Pitch-Technologie. Das bedeutet, die Rotorblätter werden jederzeit in die optimale aerodynamische Position gebracht. Das Pitch-System ist zudem Grundlage für die Schwarzstartfähigkeit der Anlage, da so ein langsames Hochfahren der Anlage möglich wird, ohne dass eine plötzliche Netzüberlastung droht.
Besonderen Wert legte Solutions 4 Energy auf eine komplett elektrische und ölfreie Lösung. Um dies zu erreichen, muss auch das Bremsen elektrisch erfolgen und der Triebstrang ohne Getriebe realisiert werden. Der Betreiber profitiert mit dem System ohne Öl und Getriebe von längeren Wartungszyklen und damit geringen Betriebskosten sowie hoher Effizienz. Die erste Testanlage ist aktuell in Sankt Michaelisdonn bei Hamburg in Betrieb. Hier wird ein Duration-Test von 35 Wochen durchgeführt, um die tatsächliche Verfügbarkeit und Ertragsleistung zu testen.

Generator-Kühlung ohne separaten Lüfter

Herzstück der KWEA ist der Generator. Mit ihm steht und fällt die Zuverlässigkeit und die Ertragsleistung für den Betreiber. Baumüller entwickelte speziell für die Anforderungen der KWEA den Generator DSHT-650, der direkt hinter den Rotorblättern der Windanlage montiert ist. Beim DSHT handelt es sich um einen hochpoligen Synchrongenerator. Der hohe Wirkungsgrad, der bei Volllast in der KWEA mit 91,4 Prozent getestet wurde, ermöglicht somit eine maximale Energieausbeute. Der Generator hat einen Durchmesser von 1.300 Millimetern und eine Baulänge von 330 Millimetern. Durch sein hochpoliges Konstruktionsprinzip sichert der DSHT einen ruckfreien Lauf der Rotorblätter auch bei geringen Drehzahlen. So wird verhindert, dass durch hohe Rastmomente Vibrationen auf die Rotorblätter übertragen werden.
Besonderer Clou am Generator ist die Kühlung ohne separaten Lüfter. Solutions 4 Energy stellte die Forderung, dass keine elektrische Leistung für einen separaten Lüfter aufgewendet werden solle, da dies den Gesamtertrag der Anlage verringern würde. Baumüller löst das Problem mit einer speziellen Generator-Konstruktion mit Kühlrippen. Die Kühlung erfolgt durch den natürlichen Luftstrom, der durch die Kühlrippen, die sich quer zu den Rotorblättern außen am Generator befinden, strömt und so für ausreichend Kühlung sorgt. Dies ist möglich, weil der Generator mit seinem hohen Wirkungsgrad nur geringe Abwärme produziert.
Weitere Besonderheit ist die Beschichtung des Generators. Solutions 4 Energy erfüllt mit seinen KWEA die IEC 61400-1 und bietet damit die gleichen Standards, wie sie bei Großwindanlagen gefordert werden. Um diese Zertifizierung zu erhalten, muss die Witterungsbeständigkeit der Anlage für zwanzig Jahre gesichert sein. Den erforderlichen hohen Korrosionsschutz erreicht Baumüller mit einer speziellen Lackierung.

Fazit

Mit dem Generatordesign der Firma Baumüller und dem Know-how der Spezialisten für Windenergie der Firma Solutions 4 Energy ist eine effiziente Kleinwindkraftanlage entstanden, die hohe Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Effizienz erfüllt.

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