Bedingt durch den Siegeszug von großen Windkraftanlagen im Megawattbereich stieg in den letzten Jahren auch das Interesse an kleinen Windkraftanlagen rasant an. Am Markt werden bereits unzählige Anlagen angeboten, und es stellt sich die Frage, inwieweit der Endverbraucher damit seinen eigenen Strombedarf decken kann - ähnlich wie bei den bekannten Photovoltaikanlagen. Erstaunlicherweise gab es zu diesem Thema bisher nur Bastelbücher, die den praktischen Aufbau einer Anlage beschreiben. Literatur, die die grundlegenden Zusammenhänge im Gesamtsystem Kleinwindkraftanlage erklärt, fehlte bisher. Das vorliegende Buch will hier Abhilfe schaffen. Nach einem Überblick über die gängigen Anlagentypen werden verschiedene Systemkonzepte wie Batterielader, Inselnetze oder Anlagen zur Netzeinspeisung vorgestellt. Danach werden die einzelnen Komponenten im Detail beschrieben, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf die verschiedenen Verfahren des Maximum Power Point Trackings gelegt wird. Abgerundet wird das Buch durch ein Kapitel über die Wirtschaftlichkeit, welches der wichtigen Frage nachgeht, ob sich eine solche Anlage rein ökonomisch gesehen überhaupt lohnt.

Textprobe: Kapitel 3, Technik von Groß- und Kleinanlagen im Vergleich Die Komponenten und Regelungsverfahren von Kleinwindkraftanlagen unterscheiden sich oft wesentlich von ihren Ausführungen bei Großanlagen. Ziel dieses Kapitels ist es, die technischen Konzepte der wichtigsten Anlagenbestandteile vorzustellen und Unterschiede zu Großanlagen aufzuzeigen. Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf die Beschreibung der Möglichkeiten zur richtigen Lastanpassung gesetzt, da hier einerseits die größten Unterschiede zu den bei Großanlagen eingesetzten Verfahren bestehen, andererseits in der Literatur sehr wenig zu finden ist. Auf Grund der gebotenen Kürze ist nur eine qualitative Beschreibung der grundlegenden Zusammenhänge möglich eine Abhandlung über die quantitative Auslegung der einzelnen Komponenten muss unterbleiben. 3.1, Rotor: Der Rotor ist der eigentliche Wandler der Windenergie und somit das zentrale Bauteil jeder Windkraftanlage, das auch die konstruktive Auslegung der anderen Komponenten maßgeblich bestimmt. Sieht man von den Sonderbauformen ab, die bisher kaum wirtschaftliche Bedeutung erlangen konnten, gibt es im Wesentlichen vier Bauformen, deren Vor- und Nachteile im Folgenden beschrieben werden sollen. 3.1.1, Propellertyp: Die modernen Großwindkraftanlagen besitzen alle ausnahmslos einen Propeller- Rotor, und auch bei Kleinwindkraftanlagen ist diese Bauform am weitesten verbreitet. Es handelt sich um einen Rotor mit horizontaler Achse, der nach dem Auftriebsprinzip arbeitet. Wohl einer der Hauptgründe für seine häufige Anwendung ist sein hoher Wirkungsgrad, der sich bei modernen Ausführungen mit optimierten Blattprofilen in einem Rotorleistungsbeiwert von deutlich über 0,50 widerspiegelt, was also schon sehr nahe am theoretisch möglichen Wert von 0,59 liegt. Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal der verschiedenen Propellertyp-Rotoren ist die Anzahl der Rotorblätter, die bei modernen Großanlagen praktisch ausschließlich 3 beträgt. Auch Kleinwindkraftanlagen verfügen meistens über drei Rotorblätter. Die Gründe für die Wahl einer bestimmten Blattanzahl sind mannigfaltig und sowohl technischer als auch wirtschaftlicher, ja manchmal sogar soziologischer (Geräuschentwicklung, optische Wirkung) Natur. Eines der Hauptkriterien ist der maximal erreichbare Leistungsbeiwert, der mit zunehmender Blattanzahl steigt, wie eine genaue Analyse zeigt. Der Leistungszuwachs beim Übergang von einem Blatt auf zwei oder drei Blätter ist noch beträchtlich, verwendet man hingegen statt drei nun vier Blätter, so ist der Zugewinn nur mehr ein bis zwei Prozent. Dem höheren Wirkungsgrad stehen aber die Kosten für die zusätzlichen Rotorblätter gegenüber, sodass mit drei Blättern offensichtlich ein guter Kompromiss gefunden wurde. Dass Kleinwindkraftanlagen manchmal mit mehr als drei Blättern gebaut werden, liegt vermutlich daran, dass bei den relativ einfach aufgebauten Rotorblättern ohne Blattverstellmechanismus die Kosten für ein zusätzliches Rotorblatt nicht so ins Gewicht fallen. Neben der unter Umständen höheren Leistungsausbeute kann auch der Drehmomentenbeiwert eine höhere Blattzahl rechtfertigen. Der Drehmomentenbeiwert steigt mit wachsender Blattzahl was eine höhere Antriebskraft des Rotors bedeutet und letzten Endes zu einem leichteren Anlauf führt. Dies kann beispielsweise bei Verwendung eines Generators mit einem hohen Rastmoment (magnetisches Kleben) von Vorteil sein, weil auf diese Weise auch niedrige Windgeschwindigkeiten genutzt werden können. Weiters ist zu beachten, dass Rotoren mit einer höheren Blattzahl auch eine niedrigere Auslegungsschnelllaufzahl besitzen, womit die Drehzahl des Rotors verringert werden kann. Dies kann bei sehr kleinen Rotoren notwendig werden, um die Drehzahl nicht zu hoch werden zu lassen (Belastung der mechanischen Komponenten, Überspannung im Generator!), denn die Drehzahl ist umgekehrt proportional zum Rotordurchmesser. 3.1.2, Darrieus-Rotor: Der 1925 vom Franzosen Darrieus entwickelte gleichnamige Rotor zählt zu den Vertikalachsenrotoren und arbeitet nach dem Auftriebsprinzip. Ein großer Vorteil der Windturbinen mit vertikaler Achse ist die Tatsache, dass auf eine Einrichtung zur Windrichtungsnachführung klarerweise verzichtet werden kann. Dies erleichtert einen Einsatz in turbulenten Windverhältnissen (die sich unter anderem durch ständige, schnelle Änderungen der Windrichtung auszeichnen), wie sie bei den niedrigen Bauhöhen von Kleinwindkraftanlagen häufig vorkommen. Der Ertrag bei solchen Windverhältnissen kann durch den Einsatz eines Rotors mit vertikaler Achse unter Umständen verbessert werden. Diesem Vorteil steht eine Reihe von Nachteilen gegenüber. Zum ersten liegt der maximal erzielbare Leistungsbeiwert mit einem Wert von etwa 0,4 um mindestens 10% unterhalb des Wertes von vergleichbaren Anlagen des Propellertyps. Weiters ist die Berechnung der optimalen Geometrie der gebogenen Rotorblätter und erst recht deren Herstellung aufwendig. Die Rotorblätter lassen sich außerdem nicht verstellen, was die Regelung der aus dem Wind aufgenommenen Leistung schwierig macht. Schließlich können Darrieus-Rotoren nicht aus eigener Kraft anlaufen (zumindest jene Bauformen mit nur zwei Rotorblättern), sodass ein motorischer Antrieb (was eine aufwendige Steurung nach sich zieht) oder der Einsatz eines kleinen Savonius-Rotors auf der gleichen Achse notwendig ist. Aus diesen Gründen werden Darrieus-Rotoren heute kaum noch gebaut soll eine Anlage mit vertikaler Achse verwendet werden, setzt man lieber seinen Verwandten, den H-Rotor ein. 3.1.3, H-Rotor: Der H-Rotor ist eine Weiterentwicklung des Darrieus-Rotors. Der wesentliche Unterschied ist der konstante Abstand der Rotorblätter von der Rotorachse, was eine einfachere Fertigung der ansonsten kompliziert gebogenen Rotorblätter, und theoretisch höhere Leistungsbeiwerte ermöglicht. In der Praxis hat sich aber gezeigt, dass die dann notwendigen Halterungen der Rotorblätter die aerodynamischen Eigenschaften wieder verschlechtern, sodass auch diese Bauform kaum über cp = 0 4 hinauskommt. Nichtsdestotrotz wird am Markt eine beträchtliche Anzahl an Anlagen mit H-Rotoren angeboten. 3.1.4, Savonius-Rotor: Der Savonius-Rotor hat ebenfalls eine vertikale Achse, arbeitet aber nach dem Widerstandsprinzip. Auf Grund der geringeren Drehzahl und des schlechten Wirkungsgrades wird er heute nur mehr selten eingesetzt 3.2, Generator: Die Auswahl eines geeigneten Generators für eine Windkraftanlage erfolgt in engem Zusammenspiel mit der Auslegung des mechanischen Triebstranges und der gewünschten elektrischen Energienutzung. Es gibt dafür eine Menge Bewertungskriterien, die dabei herangezogen werden können, unter anderem: - Dynamisches Verhalten am frequenzstarren Netz, - Drehzahlbereich, - Regelbarkeit, - Blindleistungsverhalten, - Netzrückwirkungen, - Synchronisierung, - Verhalten bei Lastabwurf, - Wirkungsgrad, - Kosten, - Wartung und Zuverlässigkeit. Eine detaillierte Analyse aller möglichen Systemkonzepte würde den Rahmen dieser Arbeit bei weitem sprengen und ist in erster Linie für den Konstrukteur interessant, daher nicht Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Es sollen aber im Folgenden die Vor- und Nachteile der wichtigsten Generatortypen im Hinblick auf die Anwendung im Bereich der Kleinwindkraftanlagen diskutiert werden, was auch für den Betreiber bei der Auswahl einer geeigneten Anlage für den jeweiligen Verwendungszweck von Nutzen sein kann. Zusätzlich erfolgt wieder ein Vergleich mit der Situation bei Großanlagen.

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Winfried Halbhuber wurde in Wien geboren und absolvierte ein Studium der Elektrotechnik an der technischen Universität Wien, welches er 2010 mit Auszeichnung abschloss. Während seines Studiums mit den Schwerpunkten Energietechnik und elektrische Maschinen beschäftigte er sich ausführlich mit technischen und wirtschaftlichen Fragestellungen rund um die Kleinwindkraft. Seine Expertise auf diesem Gebiet brachte ihm mehrfach Einladungen als Referent bei Fachtagungen ein. Winfried Halbhuber arbeitet heute in der Industrie als Entwicklungsingenieur für elektrische Maschinen.