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Alternative Beleuchtungslösungen für Windenergieanlagen

Bild 1. Wechselstromkreis mit DC-Notversorgung (links) und Gleichstrom-Beleuchtungsstrang (rechts)

Bild 1. Wechselstromkreis mit DC-Notversorgung (links) und Gleichstrom-Beleuchtungsstrang (rechts)

Windenergieanlagen (WEA) werden für eine Betriebsdauer von 20 Jahren und mehr ausgelegt. Da zunehmend LED in die Beleuchtung Einzug halten, ist eine Versorgung mit Gleichstrom weniger aufwendig und auch wartungsfreundlicher. DC-Netze bieten hier klare Vorteile.

Um die lange Lebensdauer in WEA optimal zu unterstützen, sollten die einzelnen Subsysteme idealerweise auch auf diese Betriebsdauer ausgelegt sein. Zudem sollten sie während des Betriebs service- und wartungsfreundlich sowie in der Installation möglichst kostengünstig sein. Diese Anforderungen erfüllen die Beleuchtungssysteme in den Anlagen heute meistens nicht.
Die Systeme basieren häufig noch auf Netzspannung, da konven­tionelle Leuchten und deren Leuchtmittel für diesen Anschluss optimiert sind. Mit dem Einzug der LED in die Beleuchtung hat sich an der Spannung dennoch nichts geändert. Obwohl der Aufwand, die Netzspannung auf die Arbeitsspannung der LED anzupassen, erheblich ist. Für den Betrieb von LED-Leuchten wird Kleinspannung (ELV) und Gleichstrom benötigt, netzseitig stehen allerdings nur Niederspannung (110 V/230 V) und Wechselspannung zur Verfügung. Die benötigten Netzteile und Treiber zu entwickeln ist zeitaufwendig und kostenintensiv. Zudem gestaltet es sich schwierig, diese elektronischen Vorschaltgeräte für den Einsatz in WEA und den weiten Betriebstemperaturbereich zu optimieren.
Im Netzteil werden die Bauteile mit der kürzesten Lebensdauer eingebaut und die hohe Erwärmung im Betrieb wirkt zusätzlich negativ auf die Elektronik ein. Außerdem sitzen im Netzteil die meisten Komponenten, demzufolge auch die meisten Lötstellen. Dies verstärkt die Ausfallwahrscheinlichkeit der LED-Leuchten. Nach Branchenerkenntnissen ist der Ausfall von LED-Leuchten zu mehr als 50 % auf ein defektes Netzteil zurückzuführen. In der Gesamtbetrachtung wirft dies die Frage auf, wie das Beleuchtungssystem für einen kostengünstigen und langlebigen Betrieb in einer WEA optimiert werden kann.

Aufbau eines DC-Beleuchtungssystems
Mit einem ausreichend dimensionierten Netzgerät, das die Netzgeräte in den einzelnen Leuchten ersetzt, kann ein System aus Leuchten einfach auf eine zentrale Netzumformung umgestellt werden. Wenn ein zentraler Energiespeicher vorgesehen ist, der durch ein Netz- und Ladegerät, in der Regel ein USV-Modul, versorgt wird, gilt dies umso mehr. In dem Fall kann leicht ein System aufgebaut werden, das sowohl den Energiespeicher (Batterie) als auch die Leuchten im Netzbetrieb versorgt. Dass ein großes zen­trales Netzteil wesentlich effizienter und kostengünstiger als viele kleine Netzteile ist, ist für den fachkundigen Betrachter leicht verständlich. Die Problematik, dass der Ausfall eines zentralen Netzteils, anders als beim Ausfall eines einzelnen Gerätes, die gesamte Anlage betrifft, kann leicht umgangen werden. Mittels zweitem Netzteil und Redundanzmodul kann die zentrale Netzumformung redundant ausgelegt werden. Bei mindestens 25 Leuchten in einer WEA (Turm und Gondel) ist das – gegenüber einzelnen Netzgeräten in den verteilten LED-Leuchten – immer noch die wirtschaftlich bessere Alternative. Mit einer redundanten, zentral zu wartenden Netzumformung und Energiespeicher bei Netzausfall erreicht man, bei gleichen oder geringeren Kosten, eine deutliche Verbesserung der Verfügbarkeit und Lebensdauer.
Die LED-Leuchten benötigen weiterhin, auch in einem DC-Netz, einen passenden DC/DC-Konverter. Allerdings benötigt dieser nur ca. 10 % der Platinenfläche eines vergleichbaren AC/DC-Netzteils und somit auch nur einen Bruchteil der Kosten. Hinzu kommt, dass besonders die temperaturanfälligen Elkos aus den Schaltungen verschwinden können und damit die Schwachstelle des Netzteils eliminiert wird.
Ein weiterer Vorteil des DC-Beleuchtungssystems ist, dass die Beleuchtung für viele verschiedene Netzspannungen standardisiert aufgebaut werden kann. So ist es zum Beispiel unnötig, für Europa, die USA oder Brasilien jeweils ein eigenes Beleuchtungssystem zu planen, zu installieren und zu warten. Da genügt nur noch ein System, das unter verschiedenen Netzspannungen und -frequenzen gleichermaßen funktionstüchtig ist (Bild 1).

Die Wahl der Strangspannung
In den neuen Turmgenerationen werden LED-Leuchten nicht nur für die Aufstiegsbeleuchtung eingesetzt. Im gleichen Versorgungskreis wird auch die Arbeitsbeleuchtung mit LED-Leuchten installiert. Bei der Wahl der DC-Versorgungsspannung kann man sich an verschiedenen Vorgaben orientieren. Aus Sicherheitsgründen ist eine Spannung innerhalb des Spannungsbereichs I bis DC 120 V (Kleinspannung) nach IEC 60449 empfehlenswert. Bei Verwendung von Sicherheitskleinspannung (SELV) nach DIN EN 61140 VDE 0140-1 lassen sich weitere Schutzfunktionen in das Versorgungsnetz für die Beleuchtung integrieren. Die geeigneten Netzteile sind heute mit einer Ausgangsspannung von DC 48 V oder 60 V verfügbar und bieten eine geeignete Spannung, um lange Beleuchtungsstränge in einer WEA aufzubauen.

Spannungsfall in einem Beleuchtungskreis
Gegen den Einsatz von Kleinspannungskreisen gibt es vonseiten der Anwender immer wieder Vorbehalte, da die Spannung im Schaltungskreis nach der VDE 100-520 nicht mehr als 5 % abfallen darf. Diese Vorbehalte lassen sich allerdings einfach entkräften: In dieser Norm wird empfohlen, den Spannungsfall in Beleuchtungskreisen auf 3 % zu begrenzen. Beim Einsatz konventioneller Leuchtmittel ist diese Anforderung berechtigt; außerdem dann, wenn der Verbraucherkreis unmittelbar von einem öffentlichen Netz versorgt wird. Für den Fall von LED-Beleuchtung in WEA ist der Spannungsfall aber nachweislich von untergeordneter Relevanz. Für Stranglängen über 100 m, welche in WEA die Regel sind, ist in der Norm bereits eine Ausnahme beschrieben, die über die vorgegebenen Grenzen von 3 % bzw. 5 % hinausgeht.
In LED-Leuchten sind üblicherweise Treiberschaltungen mit einem weiten Eingangsspannungsbereich im Einsatz, die den Betrieb der LED-Leuchtmittel sicherstellen, auch wenn die Versorgungsspannung erheblich abfällt. Diese Vorschrift unter Punkt 525 ist anders als weitverbreitet aufgefasst, keine Muss-Anforderung an den Schaltkreis. Die Formulierung ist eindeutig: „Der Spannungsfall […] sollte […] nicht größer als die in Tabelle G.52.1 genannten Werte sein.“ Dass die Angaben zum Spannungsfall Empfehlungen sind, hat der VDE auf Anfrage bestätigt.
Somit hat der Planer alle Möglichkeiten, ein funktionstüchtiges Beleuchtungssystem zu erstellen, mit allen ­Vorteilen, die Kleinspannungskreise für die LED-Beleuchtung mit sich bringen.
Wieland Electric bietet für diese Anforderungen geeignete Komponenten sowie Systeme und unterstützt bei der Planung und Ausführung von Windkraftprojekten. (hz)

Spezifische Rahmenbedingungen in WEA

Gemäß der EN 50308 werden Arbeits- und Notbeleuchtung benötigt.
Das Beleuchtungssystem muss in den meisten Fällen für unterschiedliche Netzspannungen ausgelegt sein.
Der Versorgungsstrang zieht sich leicht über eine Distanz von 150 m und mehr.
Moderne Notbeleuchtungsanlagen werden bei Netzausfall über einen zentralen Energiespeicher versorgt.

Dipl.-Ing. (FH) Meinrad Braun ist Product Manager Energiebussysteme bei der Wieland Electric GmbH in Bamberg. meinrad.braun@wieland-electric.com