02.09.2011

Neue Konzepte für die Weiterentwicklung von Pitchsystemen 

Der Einfluss eines Pitchsystems auf die Performance einer Windkraftanlage (WKA) und somit auf die Profitabilität der Investition ist nicht zu unterschätzen. Die permanente Weiterentwicklung solcher Systeme ist daher von entscheidender Bedeutung und erfordert mitunter den Einsatz neuer Methoden und Verfahren.

In modernen WKA ist die Blattverstellung das Hauptbremssystem. Ein zuverlässiges Pitchsystem muss somit gewährleisten, dass die Rotorblätter jederzeit in die sogenannte Fahnenposition verstellt werden können, ganz gleich, in welchem Betriebszustand sich eine Anlage befindet. Weiterhin haben Pitchsysteme einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Leistung und damit den Energieertrag einer Anlage. Eine fehlerhafte Blattverstellung kann zu erhöhten Betriebslasten führen und sich negativ auf die Lebensdauer einer WKA auswirken.

Angesichts dieser Fakten ergibt sich die Frage, welche Faktoren im Zuge der Entwicklung und Realisation von elektrischen Pitchsystemen den Energieertrag und die Betriebskosten (Cost of Ownership) einer WKA respektive eines Windparks positiv beeinflussen können.

Keine konstanten Betriebsbedingungen
Pitchsysteme werden aufgrund unterschiedlichster Anforderungen verschiedenster Anlagentypen gemäß Kundenspezifikation entwickelt. Solche Spezifikationen beruhen auf Lasten, die über Simulationscodes gemäß gängiger Industriestandards wie der Blattelement-Impulstheorie kalkuliert werden. Derartige Aerodynamik-Modelle basieren allerdings auf der Annahme konstanter Betriebsbedingungen. Die Blattverstellung ist jedoch ein unstetes Ereignis, da sich das aerodynamische Verhalten eines Rotors durch den Wechsel des Pitchwinkels verändert. Das Gieren (Yawing) einer WKA sowie Windböen und der Wechsel von Windrichtungen verursachen weitere nicht konstante Bedingungen. Simulationscodes, die auf gängigen Industriestandards basieren, können solche unsteten Ereignisse nicht erfassen und stoßen somit bei der Spezifikation von Pitchsystemen an ihre Grenzen.

Simulationstool mit hoher Auflösung und Genauigkeit
Die Forschungs- und Entwicklungsabteilung von SSB Wind Systems, Technologieführer im Bereich elektrischer Pitchsysteme, entwickelte aus diesem Grund ein spezielles Simulationstool, das ein besseres Verständnis über die Lasten auf ein Pitchsystem bei unregelmäßigen aerodynamischen Bedingungen geben und somit die Zuverlässigkeit solcher Systeme steigern soll.

Für die Abbildung der Struktur einer WKA nutzt man eine bereits in der Helikopter-Industrie vielfach bewährte Mehrkörpersimulations-Software. Mit der an der polytechnischen Universität von Mailand entwickelten Mehrkörpersimulation lassen sich die Modellierung einer WKA-Struktur als auch jeder einzelnen Anlagenkomponente in Auflösung und Genauigkeit erhöhen. Darüber hinaus können weitere Subsysteme in die Simulation integriert werden.

Wirbelmodell reproduziert unstete Bedingungen
So wird es nun mit einem hochgenauen Pitchsystem-Modell möglich, alle entscheidenden Aspekte eines Systems abzubilden. SSB Wind Systems integrierte zudem ein Standard-Industrie-Modell der Rotorlager, um auch die Reibung und den lastbedingten dynamischen Widerstand zu berücksichtigen. Darüber hinaus arbeitete man gemeinsam mit der Technischen Universität Athen und der Universität von Delft ein Wirbel-Modell in die Simulation ein, mit dem sich Wirbeldynamiken unter unsteten und damit sich ständig wechselnden Bedingungen reproduzieren lassen. Dieses freie Wirbel-Modell ist zusätzlich an fortschrittliche Modelle zur Abbildung von Rotations- und Hysterese-Effekten im Strömungsverhalten nahe der Rotorblattoberfläche gekoppelt.

Derartige Modelle können das Verständnis zu den Lasten, die unter verschiedensten aerodynamischen Bedingungen auftreten, entscheidend erweitern und somit wertvolle Erkenntnisse zu den erforderlichen Eigenschaften eines elektrischen Pitchantriebs liefern. Mehr noch: Solche Simulationsverfahren liefern Herstellern von WKA wichtige Hinweise zu potenziell Design einschränkenden Bedingungen eines Pitchsystems über seine gesamte Lebenszeit von 20 Jahren.

Flankiert werden diese neuen Ansätze der Simulation von weiteren wichtigen Faktoren, die bei der Auslegung eines langlebigen sowie zuverlässigen Pitchsystems zu berücksichtigen sind:

• Vorhandener Bauraum in der Rotornabe zur Auslegung der Schaltschränke durch Einsatz von FEM (Finite-Elemente-Methode)
• Mechanische Festigkeit des Gesamtsystems in Bezug auf Dauerschwingungen und Rotation
• Umweltbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchte, Salzgehalt in der Luft etc.
• Blitz- und Überspannungsschutz
• Integration in das Sicherheitskonzept der Gesamtanlage
• Effiziente Kommunikationsprotokolle zwischen Turbinen- Controller und Pitchsystem

Für die zukünftige Entwicklung von Pitchsystemen interessant sein dürfte zudem die Erfassung von Informationen zu spezifischen Windbedingungen. Derartige Daten sind derzeit nur über eine Windfahne und ein Anemometer auf dem Maschinenhaus einer WKA verfügbar. Die Genauigkeit solcher Instrumente hat aber aufgrund von Windfeldverzerrungen durch Wirbel, die von den Rotorblättern und dem Maschinenhaus verursacht werden, ihre Grenzen. Die Ermittlung von Langzeit-Durchschnittswerten (z. B. 10 Minuten-Messungen) werden wiederum nur an einem spezifischen Punkt innerhalb des großen Bereichs, den ein Rotor überstreicht, vorgenommen.

Komplette Windfeldberechnungen statt punktuelle Erfassung
Langzeitmessungen als auch punktuelle Messungen vernachlässigen somit relevante Daten zu Scherwinden, Wechsel der Windrichtungen und Windgeschwindigkeiten. Ein von SSB Wind Systems entwickeltes System auf Basis der Rotorblattverformung sammelt hierzu bspw. über ein Smart-Kamerasystem oder einen Faser-Brigggitter-Sensor Rohdaten, die unter Verwendung proprietärer mathematischer Modelle in komplette Windfeldberechnungen umgewandelt werden. Diese liefern sekündlich erfasste Informationen zu Windgeschwindigkeiten, Windrichtungen sowie horizontale wie vertikale Scherwinde und beziehen die Daten der Windfahne und des Anemometers mit ein.

Von den Vorteilen eines solchen Systems profitieren vor allem die Windparkeigner, denn die detaillierten Daten zum Windfeld jeder WKA ermöglichen ein besseres Verständnis zur Anlagenperformance und liefern Erklärungen zu potenziellen Mängeln der WKA bei der Stromproduktion. An sehr komplexen Standorten kann mit einem solchen System, im Gegensatz zum Einsatz eines Messmasten, die Stromproduktion anhand der tatsächlich vorhandenen Windbedingungen über dem gesamten Rotor eingeschätzt werden.