Kleinwindkraft

"Wo der Wind weht übers Land, da nutze seine Kraft.
Betrachte ihn als Pfand, der Mehl und Brot dir schafft."


Ein paar Zahlen

Viel Pro und Contra zu Windkraft.

Unbestritten: Jede kWh in Strom gewandelte Windenergie verbrennt entsprechend weniger endliche und kostbare Ressourcen von ÖL, Gas und Kohle. Großwindkraftanlagen erobern Leistungsbereiche, die vor 40 Jahren noch undenkbar gewesen wären. Der 1983 spektakulär in Betrieb genommene Growian bei Hamburg mit 100m Nabenhöhe hatte eine (Konstruktions-) Leistung von 3 Megawatt, die er aber aufgrund technischer Unzulänglichkeiten nie erreichte. Der Growian gilt als einer der größten Fehlschläge in der Geschichte der Windenergienutzung. Aber Zielstrebigkeit in der Sache leisten Offshore Windkraftanlage heute zuverlässig bis maximal knapp 5 Megawatt und der Anteil am deutschen Strommix der Windkraft liegt zur Zeit bei ca. 25% (!) heimisch erzeugter elektrischer Energie. Windkraft ersetzt keine Grundlastkraftwerke solange es keine entsprechenden Stromspeicher gibt, aber sie leistet einen erheblichen Beitrag zur CO2-Reduzierung und Ressourcenschonung.

mehr als ein paar Zahlen

Windenergie bringt die Menschheit voran – seit Jahrtausenden!

  • angetrieben von der Kraft des Windes haben uns Segelschiffe die Welt entdecken lassen
  • mit dem Mehl aus Windmühlen konnten wir Brot backen und unsere Familien ernähren
  • mit Windmühlen zum Wasserschöpfen haben wird dem Meer neues Land abgerungen
  • mit windbetriebenen Schmelzöfen für Kupfer und Eisen ließen wir die Steinzeit hinter uns

Mich fasziniert die Laune, die ungestüme Kraft, das Regellose, das Unberechenbare des Windes und der Reiz daraus für mich einen Nutzen zu ziehen. Vielleicht in etwa so, wie das Zähmen eines Pferdes. Mich inspiriert die technische Herausforderung, auch im Kleinen die Kraft des Windes zu bändigen und mir letztendlich durch dessen Energie wohlwollend Erleichterung zu verschaffen. Ich würde mich freuen, wenn dieser Blog Lesern Anreiz wäre, es auch mit der Windkraft aufzunehmen.

Vor ca.32 Jahren errichtete ich mein erstes OFF-Grid Windrad mit Flügeln aus Segelstoff und 2,5m Rotordurchmesser und gut zum Antrieb einer 500 Watt Drehstromlichtmaschine.

Die Zeit ist überholt. Nun greife ich in Ermangelung von Zeit und zur Vermeidung von Fehlschlägen ins Regal. Die Sache ist Aufbau und Regelung betreffend auch so noch spannend genug ....

Bestimmungen

NRW - Kleinwindkraftanlagen bis zu einer maximalen Gesamthöhe von 10 Metern sind nach § 62 (1) 3. c) der BauO NRW außerhalb von reinen, allgemeinen und besonderen Wohngebieten und Mischgebieten genehmigungsfrei. Natürlich gibt es Einschränkungen im Rahmen gegenseitiger nachbarschaftlicher Rücksichtnahme. Aber eine doch gescheite Regelung, durch die sich auch Kleinwindkraftanlagen zunehmend etablieren könnten.

Ich wohne allerdings in der deutschsprachigen Gemeinschaft Belgiens. Und da wird die Sache nicht ganz so liberal behandelt. Eine Anfrage bei Ecolo, den Grünen Belgiens ergab: "... Gruppierung nur in Windparks zu erlauben ...", "... vereinzelte Installationen auf Mähheiden unter Konditionen ..., Agrarbetrieb, unter 24m Höhe, öffentliche Ausschreibung, eine Städtbaugenehmigung, ..." also das volle Programm aufwenidiger Antragsformalitäten.

Ich entschied mich nicht zum Umzug nach Deutschland, sondern wähle den ab und an gegangenen belgischen Weg: Möglichst unauffällig, landschaftlich angepasst und im Einvernehmen mit den Nachbarn machen und hoffen, dass niemand von Amts wegen schimpft.

Zur Tat schreiten:

Bisher sind auf unserem Hof rund 9 kW Peak Photovoltaik installiert. Im Sommer ist von der Windkraft nicht viel zu erwarten. Da schafft die Sonne aber unseren Bedarf. Über Herbst, Winter, Frühjahr wäre es schön, wenn sich die Flügel nicht nur drehen, sondern auch spürbar unseren Strombedarf unterstützen würden. Die Windkarte des deutschen Wetterdienstes decken sich da mit meinem Gefühl und geben für unseren Standort bei 10m über Grund durchschnittlich ca. 4 bis 5 m/s Windgeschwindigkeit an. Die Diagramme der von mir ins Auge gefassten KWKA-Hersteller liefern da immerhin 10% der Nennleistung, wobei es sich bei den Geschwindigkeitsangabe des Wetterdienstes ja um einen Jahresdurchschnittswert handelt, der in der windreichen Jahreszeit deutlich höher liegen dürfte. Ganz Genaues weiß man natürlich nicht ... aber wer nicht wagt, der nicht gewinnt.

 

Erst mal ganz klein anfangen

Den großen Fehlschlag vermeiden, den kleinen nicht ausschließen. Also Internetrecherche, auch einen Fehlkauf akzeptieren (war der Breeze Breaker), Foren abklappern, Herstellerangaben vergleichen, die eigenen Studienkenntnisse aus dem Bereich E-, Regelungs- und Konstruktionstechnik einfließen lassen, Handbuch Windenergie-Technik. Windkraftanlagen in handwerklicher Fertigung lesen, ... und finanziell nicht über's Ziel hinaus schießen.

Der Markt an KWKA ist fast schier unüberschaubar und will man mit aktuellen Angeboten erste Erfahrungen sammeln, kommt man um preiswerte Produktionen aus China schwerlich herum, die zu vielen Tausenden in einfacher Ausführung Straßenbeleuchtung, Verkehrsregel- und Verkehrsüberwachungssysteme mit Strom versorgen.

Getriebelose Drehstromgeneratoren mit starken Neodynmagneten, kugelgelagert, Schleifringstromabnahme, Alugeneratorgehäuse, integrierter Drehkranz, ... ich entschied mich für eine solche 400 Watt KWKA die diekt an unserem kleinen Tiny Haus mit ON-Grid-Inverter angebracht werden sollte.

Die Anlage sollte zu Test- und Wartungszwecken rasch abgebaut und wieder aufgerichtet werden können. Also wurde ein Mast gebaut, der wie beim Segelschiff über eine Winde aufgerichtet und abgelassen werden kann.

Der 6m Stahl-Mast hat die Dimension 88,9*3,2. Ihm folgt noch ein 1,5" Stahlrohr von1,5m Länge, auf das dann der dem Windrad mitgelieferte Gondelflansch angeschweisst wurde.

Die Windfahne der Turbine wurde vorsorglich verlängert. Ein Forenbeitrag hatte sich hierzu ausgesprochen. Die ganze Anlage wurde Grün lackiert und wirkt damit unauffälliger.

 

Für die Regelung habe ich folgenden Aufbau im Test:
 
Die Windgeneratoren liefern unbelastet einen sehr weiten Spannungsbereich, der drehzahlabhängig und drehzahlproportional ist. Das ist für Netzinverter (On-Grid Inverter/der von mir verwendete Solarmicroinverter) keine leichte Übung. Zudem greift bei Solarinvertern die MPPT-Regelung (Verschiebung des optimalen Arbeitspunktes) nicht so rasch, wie sich die Windgeschwindigkeit und damit Generatorleistung ändern kann. Also wurde (und funktioniert bisher sehr gut) ein
Bleigelakku als Puffer in die Regelung eingebaut. Der Akku wird über den Windgenerator-Gleichrichter und Laderegler geladen. Eine Spannungsüberwachung des Akkus schaltet den Akku bei 24,8 Volt dem On-Grid Inverter zu und trennt den Akku wieder bei Unterschreiten der Akkuspannung von 23,6 Volt. Alle Komponenten arbeiten in einem für sie vorgesehenen optimalen Breich. Die Sturmabschaltung wird über eine Überspannungsabfrage realisiert und führt zum Kurzschluss der Windturbine (max. Bremse). Zudem wirkt die Bremse natürlich bei Netzausfall. Das Wiedereinschalten nach Sturmabschaltung geschieht über ein Verzögerungsrelais aktuell 15 min.
 
MPPT Laderegler 24 Volt, 24V Bleigel Pufferakku, Akkuwächter/Entladeschutz < 24V, 300 Watt MPPT Microinverter zur Netzeinspeisung, Abschaltung (Kurzschluss) bei Überspannung, Netzausfall,
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Das Forsthaus braucht Strom .. eine kleine Windkraftanlage musste her Febr. 2021

Technische Daten Windkraftanlage 400 Watt
 
Anzahl der Klingen: 5
Nennleistung: 400W
Maximale Leistung: 430W
Nennspannung: 24V
Startwindgeschwindigkeit: 2,5 m /s
Nennwindgeschwindigkeit: 13m /s
Überlebenswindgeschwindigkeit: 50m /s
Nettogewicht oben: 6,8 kg
Raddurchmesser: 1,4 m
Klingenlänge: 55 cm
Klingenmaterial: Nylonfaser
Generator: Dreiphasen-Permanentmagnet-Wechselstrom-Synchrongenerator
Magnet: NdFeB
Generatorgehäuse: Aluminiumgusslegierung
Steuersystem: Elektromagnet / Windradgier
Sturmabschaltung: elektromagnetisch, induktiv, Kurzschluss
Arbeitstemperatur: -40 ℃ -80 ℃
Nabenhöhe über Grund 7,5m
 
Auf einem Bein stehen geht nicht lange
 
Die Windverhältnisse scheinen am Aufstellort ertragreich. Die kleine 400 Watt KWKA produziert seit 15 Tagen bei ordentlich Wind durchschnittlich ca. 50 Watt (18 kWh). Also wurde aus recycelten Strommasten der Standfuß für eine etwas größere Anlage errichtet (1,0 nominal kW bei 12 m/s 1,5 kW maximal 1,86 m Durchmesser), Nabenhöhe wird variabel 7 bis 9 m

Während auf die Turbine aus Übersee gewartet wurde machte ich mir Gedanken zur Regelung. Wieder der eher diskrete Aufbau der ersten kleinen 400 W Anlage oder eine 'ich kann alles Lösung' ? Aber wer oder was kann alles? Und zu einem Preis, der den Rahmen nicht sprengt. Wieder wurde ich in China fündig. Vielleicht weil die Chinesen es verstehen ihre Produkte selbst in fremden Ländern besser zu bewerben als die hauseigenen Hersteller, vielleicht aber auch, weil die Chinesen, wie in der Elektromobilität, auch in Sachen KWKA Vorreiter sind ...

Ich fand jedenfalls unter meinen Vorgaben von Preis und Funktionsumfang nur das eine Produkt eines Herstellers, der einen seiner ON-Grid Photovoltaikwechselrichter zu einem Windwechselrichter modifizierte incl. Direktanschluss der 3-Phasen Turbine, Sturmlastbremse mit Dump Load Widerstand, Hall-Sensor, Wlan-Funktion, Einspeisauswertung.

Es ist das Modell SUN-1000GTIL2-WAL-WIFI und wird mit allem erforderlichen Zubehör ausgeliefert.

Zur Überraschung ist auch eine ordentliche Bedienungsanleitung in Englisch dabei, die ich hier zum Downlaod ins Deutsche übersetzt habe: Bedienung SUN-1000G2 Wind Turbine Grid Tie Inverter

AC-Ausgangswellenform und PF-Test bei nahezu maximaler Ausgangsleistung. Die Ausgangsstromwellenform zeigt im Oszilloskop eine ordentliche reine Sinuswelle. Der PF-Wert zeigt ebenfalls eine gutes Ergebnis von 99,8 %.

Bei allen Fähigkeiten der SUN-1000G2 möchte ich allerdings auf eine weitere Sturmabschaltung, die auch bei Netzausfall wirkt,  nicht verzichten. Dazu wird eine automatische Jalousiensteuerung Einfluss nehmen und bei Windgeschwindikkeit über 13 m/s den Generator über einen Schütz (3x um) komplett kurzschließen. Der selbe Schütz wird auch bei Netzausfall die Turbine abbremsen.

 

 

 

 Sturmabschaltung mit Grenzwertschalter von Jarolift

Der ON-Grid Inverter im Schaltschrank eingebaut und mit der Sturmabschaltungverdrahtet.

Der Dump Load (Lastwiderstand) wird unter dem Schaltschrank vor Regen geschützt im Freien montiert

Die Turbine: Hersteller FLTXNY auch R&X Jiangsu, China

 25.05.2021 heute den Generator und den Rotor montiert, die Anlage in Betrieb genommen.

Der Generator wurde vorab auf eine 0,8m lange Stütze montiert. Die Flanschplatte für die Turbine war in deren Lieferumfang dabei. Die untere Flanschplatte 110x110mm mit einer 70er Bohrung zum Aussetzen auf den Mast habe ich selbst erstellt. Im Übergang Stütze/Mast habe ich jeweils einen 3-pol Eurostecker (bzw. Buchse) 16A eingelassen, so dass der Windgenerator auch elektrisch rasch getrennt werden kann.

Mit einem Gewicht des Generators von über 20 kg war die Montage in 7m Höhe und einer Windgeschwindigkeit bis 50 km/h schon ein wenig abenteuerlich

Den 5-flügligen Propeller habe ich nach ersten Versuchen durch einen mit 3 Flügeln ersetzt. Die Anlage läuft damit deutlich vibrationsärmer aber immer noch bei ca. 3m/s zuverlässig an.