Leitfaden zur Auswahl der Windkraftanlage: Wie wählt man den am besten geeigneten Generator aus?
Der Kern der Windenergieerzeugung besteht darin, Windenergie effizient und zuverlässig in elektrische Energie umzuwandeln, und die Wahl des Generators wirkt sich direkt auf die Systemleistung und die Kosten aus. Zu den derzeit gängigen Windkraftanlagentypen zählen Asynchrongeneratoren, doppelt gespeiste Induktionsgeneratoren und Permanentmagnet-Synchrongeneratoren, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben, die je nach Anwendungsszenario aufeinander abgestimmt werden müssen.
1. Asynchrongenerator: Eine kostengünstige Wahl für Anfänger
Prinzip: Durch die Stromerzeugung durch elektromagnetische Induktion ist die Rotordrehzahl etwas höher als die Synchrondrehzahl und es muss Blindleistung aus dem Stromnetz aufgenommen werden.
Vorteile:
Einfache Struktur: bürstenlos und mit Schleifring, geringe Wartungskosten, geeignet für raue Umgebungen.
Niedriger Preis: Ausgereifte Technologie, geringe Anfangsinvestition.
Nachteile:
Der Wirkungsgrad ist durchschnittlich: Erregungsverluste führen zu einem Wirkungsgrad von ca. 85 %–90 %.
Blindleistungskompensation ist erforderlich: Zusätzliche Kondensatoren oder Kompensationsgeräte müssen konfiguriert werden, da sonst die Netzspannung beeinträchtigt wird.
Anwendbare Szenarien: Kleine und mittelgroße Windkraftanlagen, Gebiete mit hoher Netzstabilität (z. B. ländliche verteilte Windkraft).
2. Doppelt gespeister Induktionsgenerator (DFIG): Ausgleich von Effizienz und Kosten
Prinzip: Der Stator ist direkt mit dem Netz verbunden und der Rotor ist über einen Wechselrichter mit dem Netz verbunden, um einen Betrieb mit variabler Geschwindigkeit und konstanter Frequenz zu erreichen.
Vorteile:
Betrieb mit variabler Geschwindigkeit: Es kann effizient Strom in einem Windgeschwindigkeitsbereich von 3–25 m/s erzeugen und erweitert so den Bereich der Windenergienutzung.
Teilweise Leistungsumwandlung: Es müssen nur 25–30 % der Leistung auf der Rotorseite verarbeitet werden und die Kosten für den Umrichter sind gering.
Blindleistungsunterstützung: Bieten Sie Blindleistungskompensation durch Wechselrichter, um die Netzstabilität zu verbessern.
Nachteile:
Komplexe Struktur: erfordert Getriebe und Schleifring, mit hoher mechanischer Ausfallrate.
Anwendbare Szenarien: Große Onshore-Windparks, Gebiete mit starken Windgeschwindigkeitsschwankungen (wie Berggebiete und Küstenregionen).
3. Permanentmagnet-Synchrongenerator (PMSG): Eine effiziente und wartungsarme Zukunft
Prinzip: Durch die Verwendung von Permanentmagneten zur Erzeugung eines Magnetfeldes ist keine externe Anregung erforderlich, was zu einer höheren Effizienz führt.
Vorteile:
Hoher Wirkungsgrad: Kein Erregerverlust, der Wirkungsgrad kann über 95 % erreichen, besonders geeignet für Gebiete mit geringer Windgeschwindigkeit.
Kompakte Bauweise: Wegfall von elektrischen Bürsten und Schleifringen, geringe Ausfallrate und um mehr als 30 % reduzierte Wartungskosten.
Vorteile des Direktantriebs: Direkte Verbindung mit den Rotorblättern (ohne Getriebe), dadurch Geräuschreduzierung um 10-15 Dezibel.
Nachteile:
Hohe Kosten: Der Preis für Permanentmagnetmaterialien (wie Neodym-Eisen-Bor) schwankt stark und die Anfangsinvestition ist hoch.
Anwendbare Szenarien: Offshore-Windkraft, Binnengebiete mit geringer Windgeschwindigkeit und lärmempfindliche Umgebungen (z. B. in der Nähe von Wohngebieten).
4. Wie wählen? Der Schlüssel liegt darin, sich auf diese drei Punkte zu konzentrieren
Windgeschwindigkeitsbedingungen:
Niedrigwindzone (jährliche durchschnittliche Windgeschwindigkeit<6 m/s): Wählen Sie einen Permanentmagnet-Synchrongenerator (mit höherem Wirkungsgrad).
Zone mit hoher Windgeschwindigkeit: doppelt gespeister Generator oder Asynchrongenerator (geringere Kosten).
Netzanforderungen:
Schwaches Stromnetz kann Blindleistungsunterstützung erfordern: doppelt gespeister Generator (mit flexibler Leistungsfaktoranpassung).
Starkes Stromnetz: Geeignet sind sowohl Asynchron- als auch Permanentmagnet-Synchrongeneratoren.
Kosten und Wartung:
Anfängliches Budget begrenzt: Asynchrongenerator (20–30 % günstiger).
Langfristige Betriebs- und Wartungsempfindlichkeit: Synchrongenerator mit Permanentmagneten (reduziert die Wartungskosten über 10 Jahre um 40 %).
5. Trend: Direkt angetriebene Permanentmagnet-Synchrongeneratoren werden zum Mainstream
Mit dem technologischen Fortschritt werden direkt angetriebene Permanentmagnet-Synchrongeneratoren (ohne Getriebe) zur bevorzugten Wahl für Offshore-Windkraft und Gebiete mit niedrigen Windgeschwindigkeiten. Zu seinen Vorteilen gehören:
Verbesserung der Zuverlässigkeit: Reduzieren Sie mechanische Fehlerpunkte um 50 % und verlängern Sie die Lebensdauer auf über 25 Jahre.
Effizienzoptimierung: Der Vollstromrichter erreicht eine Netzfehlerüberbrückung (LVRT) und passt sich an schwache Stromnetze an.
Umweltverträglichkeit: Geräuscharm, keine Ölverschmutzung, geeignet für die Anforderungen des Meeresökologieschutzes.
Fall
Dänische Offshore-Windturbine Vestas V236-15,0 MW: mit Direktantriebs-Permanentmagnettechnologie und einer jährlichen Stromerzeugung von über 80 GWh pro Einheit.
Onshore-Windturbine GW82-1,8 MW von China Goldwind Technology: Permanentmagnet-Direktantriebsdesign, kann bei einer Windgeschwindigkeit von 3 m/s mit der Stromerzeugung beginnen.
Abschluss
Bei der Auswahl von Windkraftanlagen ist ein Gleichgewicht zwischen Effizienz, Kosten und Zuverlässigkeit erforderlich. Für die meisten Projekte:
Onshore-Windkraft: doppelt gespeister Generator (Ausgleich von Leistung und Preis).
Offshore-Windkraft: Direktantrieb mit Permanentmagnet-Synchrongenerator (hohe Zuverlässigkeit, geringer Wartungsaufwand).
Dezentrale Windenergie: Asynchrongeneratoren (kostengünstig) oder Permanentmagnet-Synchrongeneratoren (hoher Wirkungsgrad).
Mit der Kostensenkung bei Permanentmagnetmaterialien und der Ausgereiftheit der Direktantriebstechnologie wird die Stromerzeugung durch Windkraft in Zukunft effizienter, leiser und nachhaltiger sein.
