Dipl.-Ing. Holger Peters - INENSUS - Server-husumwind.de

Technologie der 

Kleinwindenergieanlagen 

1. Kleinwindenergie-Symposium 

new energy husum 2009 

14. & 15. März 2009 

(einige Darstellungen gegenüber Vortrag am 14.03. geringfügig verändert) 

© INENSUS GmbH 

Dipl.-Ing. Holger Peters 

Themengebiete 

• Vorstellung INENSUS 

• Kurzer Einstieg in die physikalischen Grundlagen der 

Windenergienutzung 

• Vorstellung der einzelnen Systemkomponenten und 

Vergleich der Varianten 

– Rotor 

– Generator 

– Steuerungs- und Sicherheitssysteme 

• Systeme zur 

– Batterieladung 

– Netzeinspeisung 

– Pumpen und Heizung 

• Sicherheitsanforderungen und Produktkennzeichnung 




new energy husum 2009 (14.03.2009) 

2 

1

Über uns 

• INENSUS GmbH (9 Mitarbeiter) 

• INtegrated ENergy SUpply Systems 

• Standort am: Energie-Forschungszentrum Niedersachsen efzn 





3 

Funktionsprinzip des Rotors (1) 

● Leerlauf 

Wind 

Rotor 

4 m/s 

4 m/s 4 m/s 

4 m/s 





4 

2


● Leistungsabgabe 

Wind 

Rotor 

4 m/s 

1/3 

* 

4 

m/s 

4 m/s 

1/3 

* 

4 

m/s 





5 


● Energie der bewegten Luft 

kinetische Energie 

P wind 

= 

= 

Zeit 

1 

2 

m 

t 

v 

2 

P wind 

1 

= ρ ⋅ 

2 

( A⋅v) v 

2 

P wind 

1 

= ρ ⋅ A ⋅ v 

2 

3 

Leistung ist abhängig von: 

1. Luftdichte 

2. Rotorfläche 

3. Windgeschwindigkeit (hoch 3) 





6 

3


● Grenzen der Energiewandlung 

Wind 

Wind 

Wind 

Rotor 

Albert Betz: Windenergie 

und ihre Ausnutzung 

durch Windmühlen (1926) 

Maximale Ausnutzung des 

Rotors, wenn 

v 

2 

3 

„Erntegrad“ 

= 1 ⋅v 

1 

= 16 

27 

c P , Betz 

≈ 

59 % 

v 1 

v 2 





7 

Technische Nutzung 

● Verluste im System 

P 

WEA 

= Pwind 

⋅c 

p, Betz 

physikalisch nutzbar 

⋅η 

⋅η 

Rotor 

⋅η 

Generator 

Getriebe 

⋅η 

Elektronik 

aerodynamische und 

mechanische 

Verluste 

elektrische Verluste 





8 

4

Rotorarten (1) 

● Widerstandsläufer 

Wind 

Wind 

Wind 

Funktionsprinzip: 

• Rotorblatt weicht dem Wind aus 

Schub = c 

S 

ρ 2 

2 Av 

- Niedrige Drehzahl 

- Schlechter Wirkungsgrad 

+ einfache Rotorblätter 

+ Viel Drehmoment im 

Stillstand 





9 

Rotorarten (2) 

● Auftriebsläufer 

Auftrieb 

- wenig Drehmoment 

im Stillstand 

- aufwendige und 

teure Rotorblätter 

+ hohe Rotordrehzahl 

+ guter Wirkungsgrad 

Wind 

Wind 

Rotorblatt 

Widerstand 

Wind 





10 

5

Rotortypen (2) 

● Savonius Rotor 

Wind 

Wind 

Wind 

Wind 

Wind 





11 


● Darrieus Rotor 

Wind 

Auftrieb 

Wind 

Wind 

Wind 

Auftrieb 

Wind 

Selbständiger Anlauf aus dieser Position nur mit 

• mehr als 2 Rotorblättern 

• Zusätzliche Anlaufhilfe: Savonius / elektrisch 





12 

6


● Horizontalachs- 3blattrotor 





13 

Rotorkennfeld (1) 

● Schnelllaufzahl 

Umfangsgeschwindigkeit 

λ = 

Windgeschwindigkeit 

Widerstandsläufer λ < 1 

Auftriebsläufer λ > 1 





14 

7


● Vergleich der Rotortypen 

0,5 

Leistungskoeffizient cp 

0,4 

0,3 

0,2 

0,1 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 

Schnelllaufzahl 





15 


● Synthese zum Kennfeld 

Rotorleistung [W] 

0 



v=8 m/s 

v=6 m/s 

v=4 m/s 

v=10 m/s 

v=12 m/s 

v=14 m/s 

2 4 6 8 10 12 14 16 18 

Windgeschwindigkeit [m/s] 



Anlagenkennlinie 

16 

8


● Leistungskurve 

Leistung 

3 

~ v 

P Wind 

P Windenergieanlage 

= Leistungskennlinie 

Technische 

Verluste 

Leistungsbegrenzung 

0 

2 4 6 8 10 12 14 16 18 



Windgeschwindigkeit [m/s] 



17 

Generatorarten 

● Permanenterregt Synchron 

• 3phasen Drehstrom 

– Kontinuierliche Leistungsabgabe 

– Sehr effiziente Energieübertragung auf 3 Leitern (lange Entfernungen möglich, 

es ist kein Rückleiter wie beim Einphasenwechselstrom erforderlich) 

– Robuster und preiswerter Aufbau des Generators 

• Permanenterregung 

– Generatorisches Bremsen bei Ausfall externer Energiequellen möglich 

– Keine Schleifringe für Erregerstrom notwendig -> keine Verschleißteile 

– Rastmoment bei Anlauf kann problematisch sein 

• Leerlaufspannung und Frequenz sind proportional zur Drehzahl 

– Bei unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten auch unterschiedliche Spannungen 

– Unterschiedliche Frequenz nicht problematisch, da stets gleichgerichtet wird 

– Anpassung der Last entsprechend Spannung oder Drehzahl notwendig, damit der 

Rotor optimal belastet wird 





18 

9

Steuerungs- und 

Sicherheitssysteme 

• Leistungsregelung 

• Windrichtungsnachführung 

• Manuelle Abschaltung 

• Anlaufregelung 

• Leistungsbegrenzung 

• Drehzahlüberwachung 

• Generatorüberwachung 

• Notabschaltung 

• Rüttelfehler bei Unwucht und Eisansatz 





19 

Systeme zur Batterieladung (1) 

● Aufbau 

3 

~ 

Gleichrichter 

Laderegler 

Wechsel 

-richter 

Laderegler 

Hauptschalter 

DC- 

Verbraucher 

Batterie 





20 

10


● Funktionsprinzip 

G 

3~ 

Generator Gleichrichter Batterie 





21 


● Zusammenfassung 

• Generator liefert Drehstrom (3phasiger Wechselstrom) 

– Variable Frequenz und variable Spannung 

• Bei niedrigen Drehzahlen läuft der Rotor im Leerlauf 

• Sobald gleichgerichte Spannung größer ist als die 

Batteriespannung, fließt ein geringer Ladestrom über den 

Gleichrichter 

• Die Batterie begrenzt den Anstieg der Spannung 

• Der Rotor kann beschleunigen, es fließt mehr Strom 

• Generator funktioniert wie Fahrraddynamo und regelt die 

Spannung unabhängig von der Drehzahl 

• Nahezu optimale Belastung des Rotors durch den Generator 

passend zur aktuellen Windgeschwindigkeit 

• Batterie wird geladen 

• Überladung schadet der Batterie, daher ist ein Laderegler 

notwendig, der eigentlich ein Überladeschutz ist 





22 

11


● Einsatzgebiete 

• Ländliche Elektrifizierung 

• Wochenendhäuser 

• Wohnwagen 

• Sportboote 

• Wetterstationen 

• Verkehrsüberwachung 

• Forschungsstationen 

• Pumpstationen 

• Mobilfunkstationen 





23 

System zur Netzeinspeisung (1) 

● Aufbau 1 (einzelne Geräte) 

3 

~ 

Hauptschalter 

Gleichrichter 

Überspannungs 

-schutz 

Einspeisewechselrichter 

Netz 





24 

12

System zur Netzeinspeisung (2) 

● Aufbau 2 (integriertes Gerät) 

3 

~ 

Hauptschalter 

Gleichrichter 

Überspannungs 

-schutz 

Einspeise 

-wechselrichter 

Netz 





25 

Systeme zur Netzeinspeisung (3) 

● Funktionsprinzip 

Quelle: www.sieb-meyer.de 





26 

13


● Zusammenfassung 

• Generator liefert Drehstrom 

– Variable Frequenz und variable Spannung 

• Drehstrom wird gleichgerichtet 

• Ab einer Mindestdrehzahl/Mindestspannung versorgt der 

Generator den Wechselrichter 

• Einspeisung ins Netz 

a. die zu niedrige Spannung wird elektronisch hochgesetzt und wechselgerichtet ins 

Netz eingespeist 

b. die Gleichspannung wird wechselgerichtet und über einen Trafo an die 

Netzspannung angepasst und eingespeist 

• Für Netzeinspeisung ist nach VDE 0126 eine Netzüberwachung mit 

Freischaltschnittstelle vorgeschrieben 

• Während der Netzüberwachung und bei Netzausfall muss der 

Generator belastet werden, damit der Rotor nicht hochdreht, 

dabei sich selbst und den Wechselrichter zerstört. 





27 


● Einsatzgebiete 

• Selbstversorgung 

– Einspeisung ins Hausnetz 

– Nutzung des Stromes mit den vorhandenen Geräten 

– Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Verbrauch ist gering 

– Zuschalten in der Leistung regelbarer Verbraucher (meist Heizung) um 

Eigenanteil zu erhöhen 

– Überschuss fließt ungezählt zurück ins Netz (normaler Stromzähler) 

• Einspeisung nach EEG 

– Einspeisung über einen separaten Stromzähler ins Netz 

– Vergütung des gesamten erzeugten Stromes nach dem EEG 

– Zusätzliche Installationskosten für Stromzähler und jährliche Messkosten 

• Betrieb eines autarken Systems 

– Inselsystem mit Batterie, Wechselrichter, etc. nur wirtschaftlich, wenn kein 

Netzanschluss verfügbar 





28 

14

Systeme zum Wasserpumpen 

● Aufbau 

• Über Widerstandsläufer direkt angetriebene Kolbenpumpen sind 

weltweit verbreitet, haben aber einen relativ schlechten 

Wirkungsgrad 

• Verbesserungen sind möglich in Verbindung mit einer geregelten 

und hocheffizienten Pumpe mit und ohne Batterie als 

Zwischenspeicher 





29 

Systeme zum Heizen 

● Aufbau 

• Elektrische Heizung 

– Lufterwärmung 

– Wassererwärmung mit einer elektrischen Heizpatrone 

– Problem: Wärme kann nicht unbegrenzt vom Heizsystem aufgenommen werden, 

Sicherheitsabschaltung der Heizpatrone erforderlich -> andere Belastungseinheit 

für den Rotor muss vorhanden sein 

– Direkter Anschluss eines elektrischen Widerstandes an den Generator ist nicht 

möglich, der Rotor läuft nicht an 

– Elektronischer Leistungsregler für Heizpatrone notwendig 

• Direkte Wärmeerzeugung 

– mit einer Wasserwirbelbremse ohne elektrischen Generator 

– Heizkreislauf mit Hin- und Rückleitung muss bis zur WEA geführt werden 

– Frostschutz für Wasserkreislauf 





30 

15

Sicherheitsanforderungen (1) 

● Normen 

IEC DIN EN 61400-2: Sicherheit kleiner Windenergieanlagen 

• Überdrehzahl 

– Redundantes System, d.h. auch bei Ausfall einer Komponente (z.B. Generator) 

darf die maximale Rotordrehzahl nicht überschritten werden 

– Zusätzliche Bremseinrichtung notwendig 

• Windklasse 

– Mittlere Jahreswindgeschwindigkeit 

– Überlebenswindgeschwindigkeit 

• „Hauptschalter“ 

– Freischalten der elektrischen Betriebsmittel 

– Abschalten des Rotors zur Wartung, vor Sturm 

• Betriebsanweisung 

– Abschaltung bei Sturm 

– Betrieb und Wartung 

• Standsicherheit, Blitzschutz, Eisansatz 





31 

Sicherheitsanforderungen (2) 

● Windklassen nach EN 61400-2 

I II III IV S 

v_ref [m/s] 50 42,5 37,5 30 

v_avg [m/s] 10 8,5 7,5 6 





32 

16

Vergleich der Systeme 

● AC- und DC-Kopplung 

Wechselspannungsseitige 

Kopplung 

Gleichspannungsseitige 

Kopplung 





33 

Produktkennzeichnung 

• CE-Zeichen 

– Hersteller erklärt Konformität mit den Europäischen Normen 

(Maschinenrichtlinie) 

– Hersteller muss Gefahrenanalyse durchführen 

– DIN EN 61400-2 als Sicherheitsnorm 

• Leistungskennlinie (optional) 

– Gemessen nach DIN EN 61400-12 

• Schall (optional) 

– Gemessen nach DIN EN 61400-11 

• Vollständige Dokumentation 

– Lastannahmen für Baustatik 

– Installationsanweisung 

– Sicherheitshinweise 

– Betriebsanleitung 

– … 





34 

17

Kontakt 

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• Technische Entwicklung im 

Bereich Kleinwindenergie und 

Hybridsysteme 

• Ländliche Elektrifizierung 

• Kleinwindmesssysteme 

• Netzeinspeisung 

• Energieeffiziente Lösungen in 

Gewerbe und Industrie 

Vielen Dank für Ihre 

Aufmerksamkeit! 

INENSUS GmbH 

Am Stollen 19 

38640 Goslar 



URL www.inensus.com 

Tel +49 (5321) 6855 101 

Fax +49 (5321) 6855 109 



35 

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