Generator Individuell ausgelegter Generator verbessert Wirkungsbilanz nachhaltig

Redakteur: Jan Vollmuth

Große Energieausbeute bei kleinen Windkraftanlagen – die 4-Blatt-Lee-Läufer-Anlage Wespe kann einen großen Windgeschwindigkeitsbereich nutzen und sichert damit einen hohen Wirkungsgrad. Verantwortlich dafür ist unter anderem auch die individuelle Adaption des permanenterregten Synchrongenerators von Johannes Hübner Giessen.

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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.
(Bild: Johannes Hübner)

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 % am Bruttostromverbrauch und baute damit ihre Position als wichtige Stromquelle im Bereich der erneuerbaren Energien aus.

Kleinwindkraftanlagen noch nicht etabliert

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.

Sonderkonstruktion für Wespe

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.

IEC-Adapter überflüssig

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.

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