Generatoren in Kleinwindkraftanlagen – Teil 2: Die Auswahl

Windkraftanlage Generator - diese Optionen gibt es


Unterschiede zwischen verschiedenen Generatortypen

Es gibt verschiedene Arten von Generatoren, die an Kleinwindkraftanlagen angeschlossen werden können: vor allem Gleichstrom- oder Wechselstromgeneratoren und Synchron- oder Asynchrongeneratoren, die mit Permanentmagneten bzw. elektrischer Felderregung arbeiten. Die Auswahl eines passenden Generators hängt von verschiedensten Faktoren ab; zu diesen gehören beispielsweise die Art der Netzanbindung (autonom oder netzgekoppelt), Belastungsart, mechanische Anbindung, Nennleistung, Turbinendrehzahl und Kosten. Bei all ihren Unterschieden operieren diese elektromechanischen Maschinen jedoch alle nach dem Faraday’schen Gesetz basierend auf elektromagnetischer Induktion.


Synchron- und Asynchrongeneratoren

Eine wesentliche Aufgabe des Rotors eines Generators ist es, ein Magnetfeld bereitzustellen, das für die Stromerzeugung mittels Induktion unabdingbar ist. Dieses Magnetfeld kann von zwei verschiedenen Arten von Komponenten erzeugt werden.

In sogenannten Synchrongeneratoren findet man einfache Permanentmagnete. Die ähneln simplen Hufeisenmagneten oder den Magneten, die man an seinen Kühlschrank heften kann. Generatoren, die Permanentmagnete verwenden, bezeichnet man als synchron, weil sich der Rotor und das Magnetfeld mit exakt derselben Geschwindigkeit drehen. Synchrongeneratoren haben typischerweise eine hohe Leistungsdichte und eine geringe Masse, weshalb sie zunehmend in Windkraftanlagen eingesetzt werden. Der Nachteil dieser Generatoren besteht darin, dass sich die Permanentmagnete bei starkem Hitzeeinfluss entmagnetisieren können, wodurch der Generator unbrauchbar würde. Zudem können sie keinen Strom mit fixer Frequenz erzeugen. Das liegt daran, dass Windgeschwindigkeit stark fluktuieren und dass die Rotation der Welle direkt auf den Generator übertragen wird. Daher benötigen diese Generatoren korrigierende Stromrichter.

Das Gegenstück zum Synchrongenerator bildet der Asynchrongenerator. Dieser erzeugt das elektrische Feld nicht mit Permanentmagneten, sondern mit zusätzlichen Spulen. Laut dem Faraday’schen Gesetz existieren elektrischer Strom und ein darauf senkrecht stehendes Magnetfeld immer zusammen. Daher ist es, wie im ersten Teil dieses Artikels ausführlich beschrieben, möglich, ein Magnetfeld zu verwenden, um einen elektrischen Strom zu induzieren. In ähnlicher Weise kann man aber auch ein Magnetfeld erzeugen, indem man Strom durch eine Spule leitet. Genau dies tun Asynchrongeneratoren. Sie benötigen daher eine Stromversorgung für die Erzeugung des Magnetfeldes, was einen Nachteil darstellen kann. Allerdings sind sie wenig anfällig für Schäden und verfügen über einen hohen Dämpfungsgrad, durch den Drehzahlschwankungen des Rotors absorbiert werden können. Dadurch sind sie unter Umständen zuverlässiger als ihr Gegenstück.


Dynamos und Alternatoren

Der Hauptunterschied zwischen Dynamos und Alternatoren besteht in der Art des von ihnen erzeugten Stroms: Dynamos erzeugen Gleichstrom (DC, wegen direct current im Englischen) und Alternatoren erzeugen Wechselstrom (AC, wegen alternating current im Englischen).

Der erste Teil dieses Artikels erläutert die Erkenntnis, dass ein ganz simpler Generatoraufbau zunächst einmal Wechselstrom produzieren wird. Sogenannte Kommutatoren ermöglichen es Dynamos, Gleichstrom zu erzeugen, ohne das Grundkonzept verändern zu müssen. Im einfachsten Falle handelt es sich dabei um eine Art festen Schalter, der mit den beiden Endkontakten des Generatorstromkreises immer wieder neu verbunden und getrennt wird, während sich die Welle dreht. Dadurch kehrt der Kommutator ständig wieder die Polarität des Ausgangsstroms um. Dieser hat dadurch letztlich immer die selbe Polarität, wird also zu Gleichstrom.

Dynamos haben vor allem den wesentlichen Vorteil, dass die meisten elektrischen Geräte mit Gleichstrom arbeiten. Erzeugt man Wechselstrom, braucht man daher immer einen Gleichrichter, um den Strom für den Eigengebrauch zu nutzen.

Nichtsdestotrotz sind Alternatoren, also Generatoren, die Wechselstrom erzeugen, heute deutlich weiter verbreitet. Dies ist darin begründet, dass die Übertragung von Wechselstrom über weite Distanzen sehr viel einfacher und effizienter ist als die von Gleichstrom. Für den Transport wird der Wechselstrom zu sehr hohen Spannungen transformiert, die anschließend wieder auf ein brauchbares Niveau reduziert werden müssen. Mit Gleichstrom wäre das sehr schwierig zu bewerkstelligen und würde signifikante Leistungsverluste bedeuten. Daher wird meist eine Wechselstromleitung verwendet und der Strom, sobald er beim Endverbraucher angekommen ist, wieder in Gleichstrom umgewandelt.


Standard bei Kleinwindkraft: Permanentmagnet-Synchrongeneratoren

Zurzeit findet in der Kleinwindbranche am häufigsten Permanentmagnet-Synchrongeneratoren Verwendung. Das liegt daran, dass diese in letzten Jahren aufgrund verbesserter Leistung und sinkender Kosten zunehmend attraktiver werden. Insbesondere für Generatoren ohne zwischengeschaltetes Getriebe sind sie wettbewerbsfähig, da sie im Vergleich zu typischen Asynchrongeneratoren höhere Polzahlen von 60 oder mehr Polen beherbergen können. Dadurch können trotz relativ niedriger Drehzahlen gute Leistungsabgabe-Frequenzen erreicht werden.

Im Normalbetrieb sind Permanentmagnet-Generatoren stabil und sicher und benötigen vor allem keine zusätzliche Stromversorgung, um ein magnetisches Feld erzeugen zu können. Dies vereinfacht die Konstruktion und den elektrischen Anschluss. Zudem werden Erregungsverluste umgangen. welche mitunter 20-30 % der gesamten Generatorverluste ausmachen können. Folglich ist die Leistungsdichte hoch, der Generator bleibt klein und effizient. Solange man das Risiko der Entmagnetisierung durch entsprechendes Design minimiert, versprechen diese Faktoren niedrige Lebenszykluskosten und wenig aufwändige Wartung.


Die Leistungskurve

Obwohl sie unspektakulär erscheinen mag, besteht die Anbindung des Generators an eine Windkraftanlage nicht nur aus einer mechanischen Verbindung aus Welle und Getriebe. Vielmehr müssen die Leistungskurven der Windturbine und des Generators aufeinander abgestimmt werden, um eine zufriedenstellende Leistungsabgabe zu erreichen.

Gemeinhin gibt es verschiedene Arten von Leistung; gemessen werden sie alle in der physikalischen Einheit Watt. Einerseits gibt es mechanische Leistung, die zunächst im Wind, dann in den rotierenden Blättern enthalten ist und andererseits gibt es elektrische Leistung.

Die mechanische Drehleistung der rotierenden Blätter einer Windkraftanlage wird als das Produkt der Rotordrehzahl und seines Drehmoments berechnet. Als Drehzahl bezeichnet man die Anzahl an Umdrehungen, die eine Welle innerhalb einer festgelegten Zeitspanne zurücklegt. Das Drehmoment gibt an, wir kraftvoll die Drehung ist, also welchem Widerstand oder Tägheitsmoment sich die Rotation entgegensetzen kann. Um sich das Moment zu veranschaulichen, kann man sich vorstellen, man dreht einen Bleistift in der Hand. Wenn man den Bleistift locker festhält, ist das nicht schwer. Greift man jedoch fester zu, dann muss man sich mehr anstrengen, um den Bleistift mit der gleichen Geschwindigkeit zu drehen wie zuvor. Das liegt daran, das man nun ein höheres Moment auf den Bleistift ausüben muss, da der feste Griff, der die Drehbewegung stoppen will, sich ähnlich wie ein großes Trägheitsmoment verhält.

Die Leistungsabgabe des Windturbinen-Rotors hängt also von der Drehzahl und dem momentanen Drehmoment ab. Natürlich ist diese Leistungsabgabe nicht immer gleich. Sie ändert sich erheblich, wenn die Windgeschwindigkeit zu- oder abnimmt. Betrachtet man, wie genau die Leistung von der Windgeschwindigkeit abhängt, kann man eine sogenannte Leistungskurve feststellen.

Die elektrische Leistung des Generators wird als Produkt von elektrischer Spannung und Stromstärke berechnet. Einfach ausgedrückt, entnimmt ein Generator einen Teil der in der Drehbewegung enthaltenen Leistung und wandelt diese in elektrische Leistung um. Wie viel Leistung entnommen werden kann, hängt dabei natürlich von der Menge der vorhandenen Leistung ab. Das Problem daran ist, dass ein Generator von sich aus nicht wissen kann, wie viel Rotationsleistung gerade vorhanden ist. Er kann jedoch durch einen Windsensor (Anemometer) erfahren, wie hoch die aktuelle Windgeschwindigkeit ist. Dank der Leistungskurve der Turbine kann man deren momentane Drehleistung dann direkt aus der Windgeschwindigkeit ableiten. Jetzt kann man slso entscheiden, wie viel Leistung der Generator bei einer bestimmten Windgeschwindigkeit entnehmen soll und ihn entsprechend programmieren. Auf diese Weise gibt man ihm seine eigene Leistungskurve.

Mechanische Leistung eines Windkraftanlagen-Generators ist das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment.

Elektrische Leistung des Generators einer Windkraftanlage ist das Produkt aus Spannung und Stromstärke.
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Energie und Leistung – was ist der Unterschied?

Ein weit verbreitetes Missverständnis, wenn über Windkraftanlagen gesprochen wird, ist dass Leistung und Energieertrag verwechselz werden. Der Unterschied ist der folgende: Die Leistungsabgabe sagt aus, wie viel Energie in einer bestimmten Zeiteinheit produziert wird. Der Energieertrag sagt uns, wie viel Energie tatsächlich produziert wird. Er ist nicht direkt von der Zeit anhängig. Um die Energieausbeute anzugeben, verwendet man normalerweise die Einheit kWh – Kilowattstunden. Die Energieproduktion von einer Kilowattstunde könnte bedeutet, dass ein Generator eine Stunde lang genau eintausend Watt Strom produziert hat oder dass er zwei Stunden lang fünfhundert Watt Strom produziert hat.

Möchte man also jemandem erzählen, wie viel Energie eine Windturbine im vergangenen Jahr produziert hat, könnte man sagen „meine Turbine hat 400 kWh produziert – wie aufregend!“ In diesem Zusammenhang würde es wenig Sinn machen, über die Leistung zu sprechen. Diese ist eher dann nützlich, wenn man zum Beispiel zwei verschiedene Arten an Turbinen unter gleichen Umweltbedingungen vergleicht. Ob es sinnvoll ist, über Leistung oder Energieertrag zu sprechen, ist stark situationsabhängig. Trotzdem sollte man die korrekten Einheiten kennen – man verwendet Watt oder Kilowatt, wenn man über Leistung spricht und Kilowattstunden, wenn man über den Energieertrag spricht.

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