Horizontale Kleinwindkraftanlagen

Kleinwindkraftanlagen erfreuen sich in den letzten Jahren immer größerer Beliebtheit, sei es zum Laden von Batterien, als Wind-Zusatzheizung, zur Netzeinspeisung oder als Windpumpe zur Wasserförderung.
Sie sind überall dort sinnvoll, wo die Energieversorgung aus dem öffentlichen Stromnetz unmöglich oder zu aufwändig ist oder man seinen Strom zu Beispiel beim Camping, im Bungalow oder auf dem Boot selbst erzeugen möchte.

Im Gegensatz zur thermischen Solaranlagen unterstützen Heizwindmühlen gerade in der kalten Jahreszeit Deine Heizung und sparen Energiekosten.

Die Installation von Windkraftanlagen zusammen mit Photovoltaik-Modulen (Hybridanlage) sichert eine kontinuierliche Energieversorgung über das gesamte Jahr hinweg. 

Insellösung

Der von Wind und Sonne erzeugte Strom wird über einen Laderegler in einer Batterie gespeichert. Der nachgeschaltete Wechselrichter formt den Gleichstrom in netzüblichen Wechselstrom um.
Hat die Batterie ihre Ladeschlussspannung erreicht, schaltet der Laderegler auf einem internen Heizwiderstand um, der die überschüssige Energie in Wärme umformt.
Alternativ dazu kann auch ein Elektroheizstab angeschlossen werden, der zur Bereitung von Warmwasser dient.

Schaltschema einer Inselanlage

Die Batterie wird von einer Kleinwindkraftanlage und von Photovoltaikmodulen über je einen Laderegler oder über einen kombinierten Hybridladeregler gespeist.
Der nachgeschaltete Inselwechselrichter formt den Batteriestrom in 230 V Netzstrom um.

Bildquelle: http://www.heywind.de/schemabatt.htm

Windheizung

Möchte man die Windkraftanlage für Heizzwecke nutzen, wird in einen Pufferspeicher oder Warmwasserspeicher eine Elektro-Heizpatrone eingeschraubt und anstelle des Ladereglers ein Vorschaltgerät installiert. Dieses gewährleistet bei geringer Windstärke einen leichten Anlauf der Anlage . Weitere Reglungen sind nicht notwendig.
Dies stellt die kostengünstigste Variante der Windkraftnutzung dar. Im Gegensatz zu einer thermischen Solaranlage erntet eine Windkraftanlage gerade in der Jahreszeit die meiste Energie, wenn sie auch benötigt wird.

Genau in dem Moment, wenn der Wind die Wärme aus dem Haus “bläst”, bringt die Windkraftanlage die Energie wieder hinein.

Netzeinspeisung

Soll der „geerntete” Windstrom ohne Zwischenspeicherung in einer Batterie selbst verbraucht werden, ist dazu ein Netzeinspeisewechselrichter notwendig, der vom zuständigen Energieversorgungsunternehmen zugelassen werden muss. Der Wechselrichter wird direkt an das eigene Hausnetz angeschlossen. 

Wenn die Anlage mehr Strom erzeugt als man selbst verbraucht, wird die überschüssige Energie in das öffentliche Netz eingespeist.
Dazu ist es erforderlich, mit dem EVU einen Einspeisevertrag zu schließen, der u.a. die Abnahme und die gesetzlich geregelte Mindestvergütung des Stromes festschreibt. Für die Einspeisung ist ein zweiter Stromzähler notwendig.
Eine Netzeinspeisung mit einer Photovoltaik-Anlage ist jedoch durch das Erneuerbare-Energie-Gesetz wesentlich attraktiver.

Windpumpen

Wasser kann entweder direkt mit rein mechanisch arbeitenden Windpumpen oder indirekt über elektrische Pumpen gefördert werden. Die mechanische, auch „Windmill” genannt, wird direkt über der Wasserförderstelle installiert. Der Rotorkranz ist an einem oszillierenden Getriebe befestigt, der die Drehbewegung in eine Hubbewegung umwandelt. Eine Zugstange verbindet die Hubkolbenpumpe im Brunnen mit der Windmühle.

Bei der elektrischen Variante wird eine „normale” Windkraftanlage mit einer elektrischen Kreisel- oder Membranpumpe kombiniert. Der Vorteil dabei ist, dass die Windkraftanlage an einem windgünstigen entfernten Ort aufgestellt werden kann.

Vertikale Kleinwindkraftanlagen

Vertikale Windkraftanlagen sind durch eine Rotorachse in vertikaler Lage (Standachse) gekennzeichnet (siehe die folgenden Bilder).

Bei vertikalen Kleinwindanlagen gibt es diverse grundlegende Bauformen, die im Folgenden vorgestellt werden. In der Praxis trifft man Varianten und Mischformen an, der Einfallreichtum der Entwickler kennt bei Vertikalwindanlagen keine Grenzen.

Savonius-Rotoren

Savonius-Rotoren sind sogenannte Widerstandläufer, da die Rotorfläche als Ganzes dem Wind einen Widerstand bietet und quasi vom Wind weggedrückt wird. Savonius-Rotoren bewegen sich langsam, der Rotor kann sich maximal so schnell wie die vorherrschende Windgeschwindigkeit bewegen. Von allen Kleinwindrad-Typen haben Savonius-Rotoren die niedrigsten Wirkungsgrade und entsprechend erheblich niedrigere Stromerträge als andere Konstruktionstypen.

Bildquelle: https://www.klein-windkraftanlagen.com/technik/vertikale-windkraftanlagen/

Darrieus-Rotoren

Bei Darrieus-Rotoren handelt es sich um Auftriebsläufer. Die Rotorblätter stehen mit ihrer Angriffsfläche nicht komplett senkrecht zum Wind, wie es bei Widerstandsläufern der Fall. Der Wind streicht über das Rotorblatt. Der auf das Rotorblatt strömende Wind erzeugt einen Auftrieb wie es bei Tragflügeln der Fall ist. 

Es handelt sich bei Darrieus-Rotoren um Schnellläufer: Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors kann erheblich schneller als die Windgeschwindigkeit sein. Für die Effizient der Windkraftanlage  hat das eine entscheidende Bedeutung. Moderne Windkraftanlagen sind allesamt Auftriebsläufer, dazu zählen alle Windanlagen mit horizontaler Rotorachse.

Bildquelle: https://www.klein-windkraftanlagen.com/technik/vertikale-windkraftanlagen/ ​

H-Rotor

Ein gängiger Konstruktionstyp des Darrieus-Rotors ist der H-Rotor. Die Tragflügel der Anlage sind nicht gebogen wie beim klassischen Modell, sondern gerade. Der H-Rotor hat eine größere, dem Wind entgegengesetzte, Fläche und somit theoretisch (siehe weiter unten für die Erklärung) eine höhere Leistung als mit gebogenen Blättern.

Bildquelle: https://www.klein-windkraftanlagen.com/technik/vertikale-windkraftanlagen/

Effizienz und Wirkungsgrad

Der theoretische Wirkungsgrad von Windkraftanlagen wird mit dem sogenannten Leistungsbeiwert (auch Betzscher-Wirkungsgrad oder spezifische Leistungsausbeute) angegeben. Der Leistungsbeiwert liegt maximal bei 59%. Dieser Wert beschreibt die Fähigkeit der Rotoren, die Bewegungsenergie des Windes umzuwandeln. Der effektive Wirkungsgrad ist aufgrund der Verluste von Getriebe und Generator niedriger.

Vertikale Windkraftanlagen haben einen deutlich geringeren Leistungsbeiwert als Anlagen mit horizontaler Achse. Während nach dem aktuellen Stand der Technik Horizontalläufer einen Leistungsbeiwert von rund 50 % erreichen können, liegt die Leistungsausbeute von Vertikalläufern bei maximal 40 %. Damit wird der entscheidende Unterschied zwischen den beiden Bauformen deutlich: Windkraftanlagen mit horizontaler Achse sind in der Regel effizienter als vertikale Anlagen. Betrachtet man den Gesamtwirkungsgrad, so liegt dieser bei guten Kleinwindanlagen mit horizontaler Rotorachse bei rund 30%. Vertikalläufer erreichen Werte bis 20%.

Entscheidend für die Wirtschaftlichkeit ist nicht der Wirkungsgrad, sondern die Stromentstehungskosten d.h. die Kosten für eine Kilowattstunde Strom. Doch auch hier spricht alles für Horizontalläufer: Bezüglich der Effizienz und Marktreife haben horizontale Kleinwindanlagen derzeit klar die Nase vorn. Diese Bauweise hat sich nicht ohne Grund bei den Multimegawatt-Turbinen, also den vielerorts hoch in den Himmel ragenden Windkraftanlagen, durchgesetzt.

Vorteile horizontaler Kleinwindkraftanlagen

  • Höhere Wirkungsgrade und Stromerträge.
  • Größere Marktreife.
  • Geringeres Gewicht.
  • Geringere Schwingungen und Belastungen (fluktuierende Flügel, Mastresonanzen).
  • Größere Bauhöhe.

Vorteile vertikaler Kleinwindkraftanlagen

  • Besser geeignet für Standorte mit schwierigen Windverhältnissen (Städte).
  • Einfache Wartung, da wartungsintensive Komponenten wie Generator in Bodennähe sind.
  • Geringere Schallemissionen als manche Horizontalläufer.
  • Teils höhere Akzeptanz bei Genehmigungsbehörden.

Installationsinformationen

1. Genehmigungen

Vor der Installation einer Windkraftanlage muss man sich über die geltenden gesetzlichen Regelungen (Bauvorschriften) gründlich informieren.

In einigen Bundesländern ist der Aufbau einer Anlage bis 10m Höhe genehmigungsfrei, er sollte jedoch beim zuständigen Amt angezeigt werden.

2. StandortwahlBevor man eine Windkraftanlage errichtet, ist es günstig, für seinen Standort die Windgeschwindigkeit zu ermitteln. Dies geschieht am besten mit einem Windklassierer oder einem Datenlogger. Anhand der ermittelten Daten und der Leistungskennlinie der Windkraftanlage können dann Schlussfolgerungen über den zu erwarteten jährlichen Energieertrag der Anlage gezogen werden.
Windgeschwindigkeiten ab ca. 4 – 5 m/s ( Windstärke 3 ) sind für die Nutzung der Windenergie sinnvoll. Die besten Erträge werden jedoch ab 7- 8 m/s “geerntet”. Die Anlage muss so installiert werden, dass der Wind wenigstens aus der Hauptwindrichtung möglichst frei und ohne Turbulenzen ( laminare Strömung ) an- und abströmen kann. Als Faustregel gilt:-Hindernisse müssen aus der Hauptwindrichtung 20 mal soweit entfernt sein, wie deren Höhe ist.
– Auf der Windschattenseite der Windkraftanlage sollten Hindernisse 5 mal soweit entfernt sein, wie deren Höhe ist. Turbulenzen von Gebäuden, Bäumen und Sträuchern mindern den Ertrag erheblich und verkürzen die Lebensdauer der Anlage. Die dem Wind maximal zu entziehende Energie wächst mit der dritten Potenz der Windgeschwindigkeit.
Das bedeutet, dass sich bei einer Verdopplung der Windgeschwindigkeit die Energieernte verachtfacht.
Bei einer Verdreifachung steigt die Leistung des Windes auf das 27- fache! Höhe der Anlage: Grundsätzlich gilt: Je höher, je besser (unter Beachtung der Faustregel sowie der Statik)!
In Bodennähe nimmt die Strömungsgeschwindigkeit des Windes durch die Bodenrauhigkeit enorm ab.
Bei größerer Bodenrauhigkeit (z.B. Siedlungsgebiet, Kleingärten, Wald, Strauchreihen usw.) ist es erforderlich, die Windkraftanlage möglichst hoch zu installieren.
Bei niedriger Bodenrauhigkeit ( z.B. Meeresnähe, weite Wiesenflächen oder glatte Berghügel) kann die Anlage in geringerer Höhe installiert werden. Eine Ausnahme stellt die “Tunnelströmung” dar. Die Windkraftanlage wird dabei zwischen zwei hohen Hindernissen installiert. Dies können zwei Bergrücken, Hochhäuser usw. sein. Der Wind “quetscht” sich dabei durch die Hindernisse und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht sich.
3. MastDer richtigen Dimensionierung des Mastes kommt eine besondere Bedeutung zu. Die bei hohen Windgeschwindigkeiten (gerechnet wird mit einem “Jahrhundertsturm” bis zu 60 m/s) auftretenden Windlasten müssen durch den Mast sicher aufgenommen werden.
Jede Windkraftanlage erzeugt durch unterschiedliche Drehzahlen Schwingungen, die sich auf den Mast übertragen und ihn in gefährliche Resonanzschwingungen versetzen können – Vorsicht!
Dem kann in den meisten Fällen nur durch eine sichere Abspannung und massive Fundamente entgegengewirkt werden.
Mit einem statischen Nachweis des Mastes und des Fundamentes lebt man ruhiger!
Bei feststehenden Masten ist größte Vorsicht beim Aufsetzen der Anlage geboten. Bei Masten mit Kippgelenk wird am Boden die Anlage auf den Mast montiert und mittels Winde über einen Jütbaum oder eines anderen landwirtschaftlichem Gerät in Betriebslage gebracht. Die Installation größerer Anlagen auf dem Wohnhausdach oder direkt am Bungalow ist aus Geräuschgründen nicht zu empfehlen. Betonfundamente sind entsprechend der Bauvorschriften unter der Beachtung der Bodenverhältnisse auszuführen. Das Kabel wird durch ein Rohr geschützt zum Boden geleitet. Bei großen Entfernungen zum Verbraucher ist es sinnvoll, Kabel mit großen Querschnitten zu verwenden, da gerade im Niedrigspannungsbereich von 12V oder 24V hohe Ströme fließen.
Nach der Montage der Anlage auf dem Mast ist deren Funktion zu überprüfen: Rotorblätter müssen vom Mast einen Mindestabstand von 30 cm aufweisen. Der Rotorkopf muss sich leicht in alle Himmelsrichtungen bewegen lassen und an jedem Punkt stehen bleiben können. Wenn die Anlage pendelt, ist eine Korrektur des Mastes erforderlich!
4. Elektrischer AnschlussDer elektrische Anschluss ist von einem Fachmann  durchzuführen, da die Spannungen proportional zu der Drehzahl ansteigen.
Auch bei 24V oder 48V-Anlagen können bei Sturm gefährlich hohe Spannungen und Ströme auftreten.
5. Installation an bewegten ObjektenWenn die Installation auf Booten, Caravans usw. erfolgen soll, muss die Anlage in einer Höhe installiert werden, wo eine Gefährdung für Menschen sowie Beeinträchtigung durch Gegenstände (Segel usw.) ausgeschlossen ist.
Bei Straßenfahrzeugen ist der Betrieb der Windkraftanlage während der Fahrt verboten!
6. WartungWindkraftanlagen sind nahezu wartungsfrei, eine jährliche Kontrolle auf Festsitz der Schraubenverbindungen und elektrischen Anschlüsse sollte trotzdem erfolgen.

Kleinanlagen-Rechner

Hier geht es zu einem umfangreichen Windkleinanlagen Rechner.

Informationen wurden von den Webseiten http://www.heywind.de und https://www.klein-windkraftanlagen.com/technik/vertikale-windkraftanlagen/ herangezogen.