Kleinwindkraftanlage Gaweinstal

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Technische Daten:
3 Blatt Repeller GFK 270cm, Schnelllaufzahl ca.6,5
Drehstromgenerator Arbeitsbereich 12 - 60V, Max 20A, ca. 1200W.
Inselanlage Batteriekapazität Lithium Polymer 14kWh
verzinkter Stahlmast, Höhe 8m, Durchmesser 120mm, Wandstärke 8mm, Kippgelenk am Mastfuß, fest installierte Hydraulik zum Heben und Senken der Anlage.
Sturmsicherung: mechanische Eklipsen-Regelung, elektrischer Generatorkurzschluss, mechanische Scheibenbremse.
Azimutlager Stromabnahme über Schleifringe aus Kran 80 A belastbar, Ableitung 4 x 16qmm.
Steuerung SPS Mitsubishi Alpha AL 2 24V, Netz- und USV versorgt.
Visualisierung LabVIEW
Eigenbau 2009

NOT AUS Taster, analoge Wind -und Spannungsanzeige am Mast.
Mast mit Hydraulik 
Pflanzenöl Generator für die dunkle Jahreszeit.
Wenn im Dezember und Januar die Leistung von PV und Windrad nicht ausreicht kommt der alte Warchalowski zum Einsatz.
Video Warchalowski in Aktion
Batterie Ladesteuerung bestehend aus SPS Mistubishi Alpha, 50A Stromshunt mit Siemens Messumformer, Koppelrelais und Schütze in 24 V DC.

Steuerung der zugehörigen Wärmepumpe

Visualisierung der Anlage am PC, die Daten werden in Loggfiles geschrieben und in Python ausgewertet um z.B. Anstellwinkel der Repellerblätter oder Schaltpunkte der Steuerung zu optimieren. Ein weiterer Vorteil der SPS ist die Möglichkeit der Fernwartung mittels pcAnywhere.

Visualisierung Wärmepumpe


Die wichtigsten Betriebsparameter werden mittels LabVIEW  zusätzlich noch als Graph und Analoginstrument angezeigt. 
 

Die frei programmierbaren Logikverknüpfungen und Funktionsbausteine der SPS ermöglichen ein optimales auswerten und steuern der Anlage. Ich habe mich für diese Art der Steuerung entschieden, da es mit einfachen Mitteln möglich ist verschiedene Spannungsebenen zu schalten und den Generator immer mit optimalen Wirkungsgrad zu betreiben. (möglichst geringe Generatorverlustleistung). 
Analogeingänge
I01 Generatorspannung Phase 1
I02 Generatorspannung Phase 2
I03 Generatorspannung Phase 3
I04 Generatorspannung Sternpunkt
I05 Strommessung Shunt 50A Siemens Messumformer 0-10V
I06 Windstärke Schiltknecht Messtechnik Präzisions- Anemometer
I07 Batterieblock 1
I08 Batterieblock 2
I09 Not Aus Kreis Hardware (Not Aus Taster, Automatenfall)
I10 Windrichtung
I11 Windrichtung
I12 Windrichtung
I13 Windrichtung
Ausgänge
O1 Not Aus Relais (Spannungslos geschlossen)
O2 Anlaufhilfe (Siemens FU regelt ab 1,5m/s für 50sec. auf 110 Umdr./Min)
O3 Batterieblock 1 12V
O4 Batterieblock 2 12V
O5 Verbraucher
O6 Scheibenbremse
O7 Batt. 1 und Batt. 2 in Reihe 24V Betrieb
O8 Heizstab 4 Ohm im Warmwasserspeicher

Bei einer Windstärke von 1,5 m/s wird der Generator mittels FU (Frequenzumformer) auf 110 Umdr./Min gebracht, da der Repeller erst bei 3 m/s von selbst anläuft. Es hat sich durch lange Messreihen erwiesen den optimalen Anstellwinkel für hohe Leistungen zu wählen und auf einen frühen Selbstanlauf zu Gunsten der Schnelllaufzahl zu verzichten. Der Energieverbrauch der elektrischen Anlaufhilfe ist minimal (50 Sec pro Anlauf). Auch finde ich den technischen Aufwand einer elektrischen Anlaufhilfe weitaus geringer wie die mechanische Lösung mittels Blattverstellung. Der Startpunkt von 1,5 m/s hat sich einfach ergeben, wenn die Mühle mal läuft, bleibt der Reppeller bis runter auf 1,5m/s in Bewegung. Ab 120 Umdr./Min gibt es dann Strom. Es wird immer der Batterieblock mit der geringsten Spannung im 12V Betrieb geladen. Steigt der Ladestrom 3 sec. über 15A wird Stufe 2 = 24V Betrieb eingeschaltet, sollte der Strom im 24V Betrieb wieder 15A erreichen, wird auf eine 4 Ohm Heizspirale im Pufferspeicher der Wärmepumpe umgeschaltet. Bei einer Leistung von ca. 1000W an der Heizspirale setzt langsam die mechanische Sturmsicherung ein (Furling System).

Da ich das Wohlwollen der Nachbarschaft für mein Hobby erhalten möchte, (ein mittlerweile auf 270 cm gewachsener Repeller, mit Nabe 30Kg schwer, löst nach einer Sturmnacht in Nachbars Garten oder Schlafzimmer sicher einigen Unmut aus). Aus diesem Grunde habe ich weit mehr Aufwand für die Sicherheit der Anlage als für die eigentliche Stromerzeugung betrieben.

NOT AUS Kriterien (Generator Kurzschluss und gleichzeitiges auslösen der Scheibenbremse): 

1. Die 3 Phasen des Generators werden überwacht, bei Abweichungen > 5 V ist ein Kabel oder Schleifringschaden im Azimutlager zu vermuten. (sofortiger Stopp)
2. Generatorspannung > 70V, (verzögerter Stopp)

3. Strom > 25A, (verzögerter Stopp)
4. Drehzahl > 700 Umdr./Min, (sofortiger Stopp)
5. Wind > 14 m/s, (verzögerter Stopp um Windböen auszuschließen)
6. Wind > 6 m/s zwischen 22:00 und 6:00 Uhr, (für die Nachbarn)
7. Sicherungsfall Steuerspannung oder Batteriekreise, (sofortiger Stopp)
8. Steuerspannungsausfall, (sofortiger Stopp)
9. Elektrische Werte der Analogeingänge unrealistisch, Strom, Spannung,  Wind, (die Eingänge vergleichen sich selbst), bei Abweichungen (sofortiger Stopp)
10. Zu schneller Windrichtungswechsel (Schutz für das Generatorlager), (sofortiger Stopp)
11. Not Aus Taster am Mast und der Steuerung, (sofortiger Stopp)

 

Logikplan der  SPS