Endbericht - Beuth Hochschule für Technik Berlin

Fachbereich VII – Elektrotechnik, Mechatronik, Optometrie
Auslegung, Aufbau und Test eines elektrischen Energiewandlungssystems
für eine innovative Windenergieanlage
B.Eng. Benjamin Wette, Prof. Dr.-Ing. Nicolas Lewkowicz
Kooperationsparnter: EnerKite GmbH; Projektlaufzeit: 01.01.2013-30.11.2013
Kurzfassung
Der steigende Energiebedarf der Welt und Unglücke wie die Reaktorkatastrophe von Fukushima führen einem vor
Auge, wie wichtig es ist, an alternativen Energiegewinnungsmethoden zu forschen. Im Bereich der regenativen
Energien leistet die Energiegewinnung durch Windkraft ein Drittel der gesamt erzeugten Energie durch regenerative
Energien. Der Projektpartner dieser Forschungsassistenz, die Firma Enerkite, beschäftigt sich mit einer kleinen
Sparte der Windkraftenergieerzeugung, mit den Flugwindkraftanlagen. Ziel dieses Forschungsvorhabens war die
Realisierung eines elektrischen Energiewandlungssystems für eine innovative Windenergieanlage.
Abstract
The rising demand for energy in the world and disasters such as the Fukushima nuclear disaster visualises how
important it is to research on alternative energy generation methods. In the field of active native energies energy
by wind power makes one third of the total energy generated by renewable energy sources. The project partners,
this research assistant, the company Enerkite deals with a small segment of the wind-power generation, with the
flight wind turbines. The aim of this research project was the implementation of an electrical power conversion
system for an innovative wind turbine.
Einleitung
Im Zuge der Entwicklung und Anwendung immer neuer
Möglichkeiten zur Erzeugung elektrischer Energie spielen
die erneuerbaren Energien eine immer wichtigere
Rolle. Die Nachfrage nach Nachhaltigkeit, CO 2
-neutralem
Verhalten und Sicherheit der Energieerzeugung
führen zu einem starken Ausbau der erneuerbaren
Energien. Dies ist ein Trend der in naher Zukunft zunehmen
wird, denn eine gesicherte und saubere Energieversorgung
ist das Fundament für Wohlstand in einer
neuen umweltbewussteren Welt. Ziel dieser Arbeit ist
der Vergleich verschiedener Konzepte zur Bordstromversorgung
der Enerkites während des Flugs mit anschließender
Entwicklung einer ausgewählten Variante.
Die Winddrachen der Firma Enerkite befinden sich noch
in einer, in den Kinderschuhen steckenden Sparte der
regenerativen Energien, die Höhenwindkraftwerk (engl.
AWE (airborne wind energy) oder AWECs (airborne
wind-energy conversion systems)). Ein einfacher Zusammenhang
zwischen der zu erzeugenden Leistung
und der Windgeschwindigkeit brachte Forscher und
Unternehmen auf die Idee, ihre windeinfangenden
Systeme (wie z.B. Drachen, Flügel, Turbinen, etc.) in
größeren Höhen zu positionieren.
Technische Zusammenhänge
Im Bereich der Höhenwindkraftwerke nutzt man Eigenschaften
der Höhenwinde, die man am Boden nicht
nutzen kann. Der relativ einfache Zusammenhang zwischen
der Windgeschwindigkeit und der von einem
Windkraftwerk, jeglicher Art, erzeugten Energie veranschaulicht,
woran der Reiz liegt, das windeinfangende
System in größeren Höhen positionieren zu müssen.
Vereinfacht herleiten kann man sich diesen Zusammenhang
durch:
[1]
ρ = Luftdichte, bei 15°C 1.225 [kg/m 2 ],
A = Fläche in Quadratmeter [m 2 ] die z. B.
vom Windrad überstrichen wird
ν = Windgeschwindigkeit in [m/s]
Die aus der im Wind steckenden Leistung umsetzbare
Leistung P w
ist hauptsächlich von zwei Faktoren bestimmt.
Erstens der Fläche A, die von Wind überstrichen
oder eingefangen wird und zweitens der Windgeschwindigkeit
v. Diese beiden Faktoren zeigen, dass
zukünftige Windkraftanlagen, egal ob am Boden durch
einen Turm mit der Gondel verbunden oder am Himmel
immer größer und höher werden, um die zu erzeugende
Leistung zu maximieren.
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AWECs und Ihre Unterschiede
AWECs (airborne wind-energy conversion systems) lassen
sich in zwei verschiedene Kategorien einteilen. Sie
unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie ihre
Arbeitshöhe erreichen. Man unterscheidet zwischen aerodynamischen
und aerostatischen Systemen.
Aerostatische Systeme
Bei den aerostatischen Systemen nutzt man sogenannten
Aerostaten (z.B. Zeppeline oder Ballons) um die
Arbeitshöhe zu erreichen. Bei solchen Systemen nutzt
man die Eigenrotation des Systems (Flattner-Rotoroder
Savonius-Rotor-Prinzip) oder man integriert andere
aerodynamische Systeme (z.B. Propeller, Repeller)
für die Energieernte.
Aerodynamische Systeme
Bei aerodynamischen Systemen wird der aerodynamische
Windauftrieb des Systems genutzt um die Arbeitshöhe
zu erreichen. Aerodynamische Systeme sind unter
anderem Tragflächen- und Drachenkonstruktionen,
die so genannten Kites. Außer bei den Kites benötigen
die anderen Systeme ein weiteres System, welches die
Energieernte übernimmt. Hier werden in den meisten
Fällen Rotoren, Propeller oder Turbinen verwendet.
Kites, die kein weiteres System benötigen, lassen sich
in zwei Kategorien, wie die elektrische Energie aus
dem Wind gewonnen wird, einteilen. Zum einen gibt
es die Kites, die nach der so genannten X-Wind oder
Crosswindtechnik arbeiten. Hier wird der Kite so in den
Wind gestellt, dass die Kräfte die am Kite erzeugt werden,
über die Seile an eine Bodenstation weitergeleitet
werden. Durch die auf einem Schienensystem gelagerte
Bodenstation werden die Zugkräfte am Kite in eine
translatorischen Bewegung am Boden umgewandelt.
Diese translatorische Bewegung wird über einen Generator
zur Energieerzeugung verwendet.
Die zweite Kategorie von Kites, nachdem auch die Kites
der Firma Enerkite arbeiten, nutzen das so genannte
Jo-Jo-Prinzip. Der Kite ist über eine Winde mit der Bodenstation
verbunden. In der Start- bzw. Arbeitsphase
wird der Kite gestartet und treibt den Generator an. Ist
die Winde vollständig abgewickelt wird der Kite in die
Leerlaufstellung gebracht und kann mit einem Bruchteil
der erzeugten Energie wieder an den untersten Arbeitspunkt
gezogen werden. Ähnlich wie bei einem Jo-Jo beginnt
der Zyklus von vorn.
Abb. 1: Enerkite Designkonzept mit Repellereinlass
Statt flexiblen Winddrachen können auch Starflügler
verwandt werden, bestehend aus einem mit Folie bespannten
Rahmen und laminierten Styropor Winglets,
geworden. Starflügler können die gewachsenen Anforderungen,
die mit steigender Flughöhe und steigenden
Windgeschwindigkeiten einhergehen, erfüllen. Sie
sind massiver und auch schwerer als die vorherigen
Drachenkonstruktionen. Diese Entwicklung geht mit erhöhten
Anforderungen an die Sicherheit von Mensch
und Maschine einher und macht komplexe autonome
Regel-, Mess- und Steuerungsvorgänge notwendig.
Notwendigkeit der zusätzlichen
Stromerzeugung
Um diese Aufgaben bewerkstelligen zu können muss
man sicherstellen, dass die Kites ein zusätzliches System
zur Bordstromerzeugung bzw. -versorgung erhalten.
Die Bordstromversorgung ist nötig, da die Flügel
mit verschiedenen elektronischen Verbrauchern ausgerüstet
sind – von Sensoren bis hin zur LED-Befeuerung.
So ist es essentiell, dass die Energiever-sorgung dauerhaft
während der gesamten Betriebszeit gesichert ist.
Wie und wo erzeugt man den Strom?
Zur Stromerzeugung sind die verschiedensten Technologien
möglich. Zu allererst ist zu klären, wie und
vor allem wo der Strom erzeugt werden soll. Durch die
Gegenüberstellung der verschiedenen Varianten und
Bewertung dieser kann die technisch und wirtschaftlichste
Variante ermittelt werden. Die links stehende
Abbildung zeigt die präferierte und wie sich am Ende
herausstellte, realisierbarste Lösung, ein in den Kite
integrierten Repeller.
Wo soll der Strom erzeugt werden?
Beim Ort der Stromerzeugung für die Bordstromversorgung
gibt es zwei Möglichkeiten, die in Betracht kommen.
Die erste Möglichkeit ist die Stromerzeugung am
Boden. Über die Steuerseile und einer miteingewobenen
Leitung wird die am Boden erzeugte Spannung
den Verbrauchern im Kite zur Verfügung gestellt. Die
Alternative hierzu ist die Stromerzeugung direkt vor Ort
am Kite. Bei genauerer Betrachtung ergeben sich die
folgenden Vorteile, für eine Energieerzeugung am Kite:
kein Spannungsabfall durch die ca. 500m Seil
bzw. Leitungslänge
keine teure aufwendige Leitungsherstellung
kein Verschleiß der Leitungen durch das sich
wiederholende Auf- und Abrollen der Haltebzw.
Steuerseile
Wie wird der Strom erzeugt?
Bei der Stromerzeugung wird nach dem gleichen Muster
vorgegangen. Die Tabelle 1 nach VDI 2222 und VDI
2225 zeigt die technisch realisierbarste Variante. An
Hand der Tabelle 1 lässt sich erkennen, dass der Repeller
nach Priorität und Gewichtung die höchste technische
Gewichtung erzielt.
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Da die grundlegende Entscheidung steht, einen Repeller
einzusetzen, ist im Labor das Prinzip in einem
kleinen leistungsschwächeren Maßstab umgesetzt worden.
Hierzu wurden herkömmliche Modelbaumotoren
und Luftschrauben verwendet. Für den Generatorbetrieb
wird auf Grund der erhöhten Anforderungen ein
Maxon EC-4pole Motor (Art.-Nr.: 327739) ausgewählt.
Dieser Motor zeichnet sich durch aus, dass er keine
Drehmomentwelligkeit besitzt. Des Weiteren durch sein
geringes Rastmoment und den damit einhergehenden
erhöhten Leichtlauf.
Abb. 2: Schematische Darstellung des Energiewandlungsprinzipes
Tabelle 1: technische Gewichtung der Varianten
Umsetzung im Labor
Die Abbildung 2 zeigt ein Schema des im Labor aufgebauten
Messprinzips. Der Ventilator (22) erzeugt den
Wind, der den Wind am Kite am Himmel wiederspiegeln
soll. Der durch den Wind in Rotation gebrachte
Repeller (18) wandelt durch das Generatorprinzip die
Drehbewegung in Strom um. Eine Gabellichtschranke
(5) detektiere über eine entsprechende Inkrementalscheibe
die Position des Motors. Die aus der Gabellichtschranke
ausgegebenen Pulse werden von einer
NI DAQ Box (11) aufgenommen und als entsprechende
Drehzahl auf einem PC (12) ausgegeben. Die rechte Abbildung
(Abbildung 3) zeigt den ersten Testaufbau im
Labor.
Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse von drei unterschiedlichen
Versuchen mit unterschiedlichen Propellern um
die errechneten Ergebnisse mit Laborergebnissen vergleichen
zu können. Die Versuche mit den nicht idealen
Luftschrauben sind hinreichend genau an die Ergebnisse
aus den Berechnungen herangekommen. Da wir uns
gerade in den elektrischen Feinarbeiten befinden, lässt
sich noch kein abschließendes Urteil über die erzeugte
Leistung und der tatsächlich zur Verfügung gestellten
Leistung sagen. Das werden die nächsten beiden Monate
zeigen.
Abb. 3: Umsetzung im Labor
Abb. 4: Anlaufverhalten verschiedener Propeller
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Zusammenfassung
Die Forschungsassistenz hat es ermöglicht, eine Problemstellung
aus der Industrie zu bearbeiten, sie zu
präzisieren, Lösungsvorschläge zu erarbeiten und in
Abstimmung mit dem Projektpartner diese umzusetzen.
Es ist ein System entstanden, welches in der Lage ist
Energie im Flug aus dem Wind zu gewinnen und so
dem System und seinen Verbrauchern zur Verfügung
zu stellen. Die beteiligten Partner an der Forschungsassistenz
haben durch dieses Vorhaben die Kenntnisse
erhalten, um an den Ergebnisse weiter zu forschen und
zu entwickeln, um es prototypenreif herstellen zu können.
Somit ist eine Grundlage gegeben, dass System
im Alltag unter realen Bedingungen testen zu können.
Literatur
[Hau 08] Erich Hau: Windkraftanlagen Grundlagen,
Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit
4., vollständig neu bearbeitete Auflage
[Ste 08] Stein, Jonas: Praktikumsbericht 2013
[Wet 10] Wikipedia / Höhenwindenergie
http://de.wikipedia.org/wiki/
H%C3%B6henwindenergie
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1 Jonas Stein / Benjamin Wette /
Enerkite Designkonzept mit Repellereinlass
Abb. 2 Jonas Stein / Schematische Darstellung des
Energiewandlungsprinzipes
Abb. 3 Benjamin Wette / Umsetzung im Labor
Abb. 4 Jonas Stein / Anlaufverhalten verschiedener
Propeller
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Nicolas Lewkowicz
Beuth Hochschule für Technik Berlin
FB VII
Luxemburger Straße 10, 13353 Berlin
Telefon: (030) 4504-2322
E-Mail: lewkowicz@beuth-hochschule.de
Kooperationspartner
EnerKite GmbH
Fichtenhof 5, 14532 Kleinmachnow
Telefon: (033203) 182581
Web: www.enerkite.de
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