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Alternative Beleuchtungslösungen für Windenergieanlagen (WEA)
DC-Netze bieten Vorteile

Beleuchtungen für Windenergieanlagen (WEA) sind heute in der Regel noch nicht optimal konzipiert. Möglicherweise schaffen hier DC-Netze für die Kleinspannungskreise der LED-Beleuchtung Abhilfe?

Windenergie

Windenergieanlagen (Foto: pixabay.com)

Windenergieanlagen (WEA) werden für eine Betriebsdauer von 20 Jahren und mehr ausgelegt. Um diese lange Lebensdauer optimal zu unterstützen, sollten die einzelnen Subsysteme idealerweise auch auf diese Zeitspanne 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.

Trotz Einzugs der LED werden die Beleuchtungssysteme in WEA häufig noch mit Netzspannung betrieben. Das bringt einen erheblichen Aufwand mit sich, denn für den Betrieb von LED-Leuchten wird Kleinspannung (ELV) und Gleichstrom benötigt, netzseitig stehen allerdings nur Niederspannung (LV 110/230 V) und Wechselstrom zur Verfügung. Die benötigten Netzteile und Treiber zu entwickeln, ist zeitaufwändig und kostenintensiv. Zudem gestaltet es sich schwierig, diese elektronischen Vorschaltgeräte für den Einsatz in WEA und den weiten Betriebstemperaturbereich zu optimieren.

Im Vergleich zu den anderen Komponenten der WEA befinden sich im Netzteil letztlich die Bauteile mit der kürzesten Lebensdauer, zudem wirkt die hohe Erwärmung im Betrieb zusätzlich negativ auf die Elektronik ein. Und entsprechend der Vielzahl von Komponenten, gibt es hier auch die meisten Lötstellen. Die Ausfallwahrscheinlichkeit der LED-Leuchten wird dadurch erheblich verstärkt.

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 die Beleuchtung sehr leicht auf eine zentrale Versorgung 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 lässt sich ein System aufbauen, das sowohl den Energiespeicher (Batterie) als auch die Leuchten im Netzbetrieb versorgt (Bild 1).

Die Problematik, dass der Ausfall eines zentralen Netzteils, anders als beim Ausfall eines einzelnen Gerätes, die gesamte Anlage betrifft, kann durch ein Redundanzmodul umgangen 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 beansprucht 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 eine signifikante 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.

Wahl der Strangspannung

In den neuen Turmgenerationen werden LED-Leuchten nicht nur für die Aufstiegsbeleuchtung eingesetzt. Im gleichen Versorgungskreis ist 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 60 449 empfehlenswert. Bei Verwendung von Sicherheitskleinspannung (SELV) nach EN 61 140 lassen sich weitere Schutzfunktionen in das Versorgungsnetz für die Beleuchtung integrieren. Die geeigneten Netzteile sind heute mit einer Ausgangsspannung von DC 48 V oder DC 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 von Seiten der Anwender immer wieder Vorbehalte, da die Spannung im Schaltungskreis nach DIN VDE 100-520 nicht mehr als 5 % abfallen darf. Diese Vorbehalte lassen sich allerdings einfach entkräften:

In der 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 einer WEA ist der Spannungsfall aber nachweislich von untergeordneter Relevanz.

Für Stranglängen über 100 m, die 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 genannte Vorschrift unter Punkt 525 der Norm 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.

Autor: M. Braun

Der Artikel ist in unserem Facharchiv nachzulesen.

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

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