Die Elektroinstallation hatte ich schon im ersten Artikel zur Elektroinstallation grob skizziert, zeitlich gehört der anlageseitige Teil zur Montage des Mastes. Wie sich die Installation konkret gestaltet, beschreibe ich nun - etwas verspätet - hier.
Ich möchte die Elektroinstallation in zwei Bereich trennen: die anlageseitige Installation vom Generator auf der Mastspitze bis zu einem Wechselrichter und die vom Wechselrichter ins Haus- und Niederspannungsnetz. Der anlagenseitige Teil ist der Teil der bei der Windkraft speziell ist. Der Teil ab Wechselrichter ist weitestgehend identisch zur Photovoltaik bzw. allgemeine Hausinstallation.
Der anlagenseitige Teil besteht aus den folgenden Komponenten:
- der vom Repeller angetriebene Generator
- die elektrische Leitung vom Generator zur Anlagensteuerung
- die Anlagensteuerung mit Sicherheitsmechanismen
- die Transformation des erzeugten Stroms zu ein- oder dreiphasiger Niederspannung im Hausnetz
In unserem Fall wird ein Solarwechselrichter für die Einspeisung der Windenergie ins Hausnetz genutzt. Nachdem Solarwechselrichter und Windwechselrichter sich in mehreren Aspekten grundlegend unterscheiden, erfordert der Einsatz des Solarwechselrichters diverse Zusatzkomponenten.
Fangen wir mit der Funktionsweise eines Windwechselrichters an: der bekommt bei unserer Anlage vom Generator Wechselstrom im Spannungsbereich zwischen 0 und 600 Volt als dreiphasigen Drehstrom. Bei Anlaufen der Anlage ist die Spannung niedrig, bei hohen Windgeschwindigkeiten hoch. Die Leistung beträgt dabei bis zu 7500 W. Zur Erinnerung: Leistung (W) = Spannung (V) * Strom (A). Der Wechselrichter hat nun die Aufgabe diese Eingangsleistung auf das Spannungsniveau und Frequenz des Hausnetzes zu transformieren, bei dieser Leistungsklasse drei Phasen mit ca. 230 V und 50 Hz. Letzteres tut der Solarwechselrichter auch, der bekommt die Leistung von den Solarpanels / Generatoren allerdings in Gleichspannung.
Die nächste Aufgabe des Windwechselrichters ist ein Sicherheits-Feature: bei starkem Wind können zu hohe Drehzahlen des Repellers auftreten die den Generator zerstören können. Der Generator muss in solchen Situation also abgebremst werden. Elektrisch macht man das bei Generatoren über einen Bremswiderstand: dieser Widerstand ist niedrigohmig. Wenn er generatorseitig eingeschleift wird, fliesst ein höherer Strom als der den der Wechselrichter aufnehmen würde. Nach Lenz wirkt induktiver Strom entgegen des Magnetfeldes im Generator und bremst diesen ab. Das ist identisch zu dem Prinzip mit dem e-Autos über den Motor abgebremst werden. Bei denen wird die Leistung allerdings nicht im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt, sondern in die Batterie geladen (rekuperiert). Ein Windwechselrichter muss also eine zu hohe Drehzahl erkennen (Windgeschwindigkeit, Spannung) und rechtzeitig den Bremswiderstand einschleifen.
Der letzte grosse Unterschied zwischen einem Wind- und einem Solarwechselrichter ist die Steuerung der Leistung. Solarwechselrichter kommen mit einem oder mehreren sogenannten MPP-Trackern. MPP steht für Maximum Power Point. Auch der Solarwechselrichter erhält von den Solarpanelen zunächst eine gewisse (hohe) Leerlaufspannung. Sobald er nun Strom abnimmt, fällt die Spannung der Solarpanele ab. Die Regel ist hier "abgenommener Strom (A) hoch = Spannung (V) fällt ab". Wie oben geschrieben, ist die Leistung Spannung mal Strom. Der Wechselrichter soll die Kombination aus V und A maximieren, also den MPP finden. Vereinfacht gesagt, fährt er die Stromabnahme hoch bis die Spannung so weit einbricht, das die resultierende Leistung (W=V*A) nicht mehr optimal ist. In Realität ist es komplizierter, Stichwort Schattenmanagement. Was würde nun passieren, wenn man die Wechselspannung des Windgenerators gleich richtet und in einen Solarwechselrichter schieben würde? Der Solarwechselrichter würde den Strom hochfahren und damit den Repeller abbremsen. Konkret würde er ihn zu weit hoch fahren und der Repeller würde den Schwung verlieren. Alles analog zum Bremswiderstand. Will man einen Solarwechselrichter für eine Windgenerator nutzen, muss die MPP Steuerung durch eine für den Windgenerator günstige Kennlinie ersetzt werden. Es ist ein Eingriff in die Leistungssteuerung des Wechselrichters notwendig.
Leider sind Windwechselrichter ebenso ein Nischenthema wie Kleinwindanlagen im Allgemeinen. Ursprünglich war für unsere Anlage ein Smart!wind 7.5 geplant - ein echter Windwechselrichter mit den diskutierten Features. Der ist aber aus der Produktion gegangen und in der Leistungsklasse von 7.5 kW gibt es aktuell einfach keine Lösung.
Das ist der Grund, warum die 7.5er Anlage von Braun aktuell mit einem Solarwechselrichter betrieben wird. Entsprechend der Diskussion benötigt man einen grossen Kasten mit diskret aufgebauter Elektrik und Elektronik als Anlagensteuerung. Hinter dem Eingang vom Generator gibt es zunächst einen Kurzschlussschalter. Solange die Anlage sich nicht dreht (0 Volt), können damit die drei Phasen kurzgeschlossen werden. Im Resultat ist der Generator und damit der Repeller quasi blockiert (siehe "Lenz" weiter oben). Dies war auch die Minimalvoraussetzung beim Richtfest: nachdem die Elektrik noch nicht fertig ist, musste zumindest die Verbindung vom Generator bis zum Kurzschlussschalter aufgebaut und kurzgeschlossen sein. Danach folgt eine manuelle und automatische Einschaltmöglichkeit für den Bremswiderstand. Sowohl die Anlagensteuerung kann den Bremswiderstand programmgesteuert einschleifen als auch der Betreiber kann einen Schalter umlegen um die laufende Anlage abzubremsen. Das macht man z. B. um die Anlage anschliessend mit dem Kurzschlussschalter komplett zu blockieren. Die nächste Komponente ist dann ein Gleichrichter, der aus dem vom Generator gelieferten Wechselstrom Gleichstrom macht. Dieser Gleichstrom geht dann in die entsprechenden String-Anschlüsse des Wechselrichters. Das Monitoring der Anlage erfolgt über eine Logikeinheit, diese schleift wie oben geschrieben den Bremswiderstand automatisch ein wenn die Drehzahl zu hoch wird. Zuletzt gibt es eine Einheit, die die Kennliniensteuerung des Wechselrichters übernimmt. Die Kommunikation läuft hier über eine serielle RS485 Leitung.
Alles ab Wechselrichter beschreibe ich in einem separaten Artikel. Was noch fehlt ist der Strang von Generator bis Anlagensteuerung. Das dicke Kabel vom Mast zum Stall hatte ich bei den Artikeln zum Tiefbau schon beschrieben, ebenso die mehradrige Steuerleitung. Im Rahmen der Montage werden zunächst die Senorkabel von den (bei uns) beiden Windmessern durch den Mast gezogen. Der Mast kommt bei der Auslieferung mit einer Sorgeleine die ganz oben und ganz unten fixiert ist. Die Verbindung vom Generator zum Mastfuss realisiert man über Solarkabel. Die Kabel liegen im Mast und werden durch vollständige Drehungen ggf. verdrillt. Nachdem Solarkabel immer eine sehr gute und dicke Isolation haben, sind sie für diese Verbindung am besten geeignet. Die beiden Sensorleitungen schiebt man von den Öffnungen auf ca. 9 Meter Höhe erst mal nach oben, verbindet sie hier mit den drei Solarkabeln und zieht sie dann gemeinsam mit der Sorgeleine durch. Die drei Solarkabel werden in einem wasserdichten Anschlusskasten am Generator fest geschraubt. Ein Nulleiter / Sternpunkt ist wegen der symmetrischen Spannung auf allen drei Phasen nicht notwendig. Die Erdung erfolgt direkt über den Mast. Wir haben also Solarkabel 50 Meter mit 6 mm2 Querschnitt besorgt. Dicker wird bei der Durchführung schwierig, dünner wollte ich nicht (schliesslich haben wir als Erdkabel 10 mm2 spendiert). Abschliessend werden Solarkabel und die Sensorkabel mit geeigneten Zugentlastungen fixiert. Da soll nichts scheuern.
Am Mastfuss haben wir jetzt die Erdkabel von unten und die Solar und Sensorleitungen von oben. Der Mast hat auf ca. 2 m Höhe eine Sorgeklappe. Hier kann man später jederzeit dran um z. B. einmal jährlich die Solarkabel zu entdrillen. Die Verbindung erfolgt auf dieser Höhe mit 32 A CEE Stecker / Kupplung (die roten), die Sensorleitungen (in Summe 6 Litzen) habe ich in einer Verteilerbox wasserdicht verbunden.
Damit ist der anlagenseitige Aufbau abgeschlossen. Ein paar Tipps gibt es aber noch:
- die Solarkabel wie alles Anschlussmaterial kommen nicht von Braun, da braucht man eine extra Einkaufsliste
- der Einbau einer 5 adrigen (zwei Reserve) 10 mm2 Leitung ist eine Zumutung, das Kabel ist schon ganz schön dick und schwer zu verlegen; die meisten Anlagenbauer werden hier aber ohnehin 6 mm2 verwenden können weil sie nicht wie wir eine 170 Meter lange Leitung verlegen
- die Anlagensteuerung ist in einem grossen Schaltschrank, der ist auch brutal schwer; muss man zu Zweit aufhängen
- mit hinreichendem Verständnis von Elektrik kann man diesen Teil gut selbst machen und damit ein wenig Kosten sparen
- abschliessend muss ein Elektriker das alles kontrollieren / abnehmen; ausserdem ist gemäß Inbetriebnahme-Protokoll die Erdung und die Isolation der Phasen zu messen
- die Wechselrichter-Situation für diese Leistungsklasse scheint prekär zu sein; kein Angebot an Windwechselrichtern in dieser Leistungsklasse und auch das Angebot an Solarwechselrichtern, deren Kennlinie von aussen änderbar ist, ist minimal
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